Java内存模型规定所有的变量都是存在主存当中(类似于前面说的物理内存),每个线程都有自己的工作内存(类似于前面的高速缓存)。线程对变量的所有操作都必须在工作内存中进行,而不能直接对主存进行操作。并且每个线程不能访问其他线程的工作内存。
一个操作或者多个操作 要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断,要么就都不执行。
在Java中,对基本数据类型的变量的读取和赋值操作是原子性操作,即这些操作是不可被中断的,要么执行,要么不执行。
x = 1; //语句1
y = x; //语句2
x++; //语句3
x = x + 1; //语句4
这四个语句只有语句1是原子性的
其他三句都需要先读取X变量的值,然后进行其他操作
那么在读取X变量值后都有可能发生阻塞,这时就破坏了原子性。
也就是说,只有简单的读取、赋值(而且必须是将数字赋值给某个变量,变量之间的相互赋值不是原子操作)才是原子操作。
可见性是指当多个线程访问共享变量时,一个线程修改的值会立即被更新到主存,当有其他线程需要读取时,它会去内存中读取新值。
//线程1
int i = 0;
i = 10;
//线程2
j = i;
假若执行线程1的是CPU1,执行线程2的是CPU2。由上面的分析可知,当线程1执行 i =10这句时,会先把i的初始值加载到CPU1的高速缓存中,然后赋值为10,那么在CPU1的高速缓存当中i的值变为10了,却没有立即写入到主存当中。此时线程2执行 j = i,它会先去主存读取i的值并加载到CPU2的缓存当中,注意此时内存当中i的值还是0,那么就会使得j的值为0,而不是10, 这就是可见性问题,线程1对变量i修改了之后,线程2没有立即看到线程1修改的值。
有序性:即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。
在Java里面,可以通过volatile关键字来保证一定的“有序性”。另外可以通过synchronized和Lock来保证有序性,很显然,synchronized和Lock保证每个时刻是有一个线程执行同步代码,相当于是让线程顺序执行同步代码,自然就保证了有序性。
1、Volatile 关键字的两层语义
一旦一个共享变量(类的成员变量、类的静态成员变量)被volatile修饰之后,那么就具备了两层语义:
1)保证了不同线程对这个变量进行操作时的可见性,即一个线程修改了某个变量的值,这新值对其他线程来说是立即可见的。
2)禁止进行指令重排序。
分析下面的一段代码
//线程1
boolen stop = false;
while(!stop) {
readFileStream();
}
//线程2
stop = true;
这段代码会完全运行正确么?即一定会将线程中断么?不一定,当线程2更改了stop变量的值之后,但是还没来得及写入主存当中,线程2转去做其他事情了,那么线程1由于不知道线程2对stop变量的更改,因此还会一直循环下去。
使用volatile修饰之后
第一、使用volatile关键字会强制将修改的值立即写入主存;
第二、使用volatile关键字的话,当线程2进行修改时,会导致线程1的工作内存中缓存变量stop的缓存行无效(反映到硬件层的话,就是CPU的L1或者L2缓存中对应的缓存行无效);
第三、由于线程1的工作内存中缓存变量stop的缓存行无效,所以线程1再次读取变量stop的值时会去主存读取。
那么在线程2修改stop值时(当然这里包括2个操作,修改线程2工作内存中的值,然后将修改后的值写入内存),会使得线程1的工作内存中缓存变量stop的缓存行无效,然后线程1读取时,发现自己的缓存行无效,它会等待缓存行对应的主存地址被更新之后,然后去对应的主存读取最新的值。那么线程1读取到的就是最新的正确的值。
2、volatile保证原子性吗?
public class Counter {
private volatile static int count = 0;
private void increase() {
count ++;
}
public static void main(String[] args) {
final Counter counter = new Counter();
for (int i = 0; i < 10 ; i++) {
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
for (int j = 0; j < 1000 ; j++) {
counter.increase();
}
}
}).start();
}
System.out.println("count: " + count);
}
}
发现每次运行结果都不一致,都是一个小于10000的数字, volatile关键字能保证可见性没有错,但是上面的程序错在没能保证原子性。可见性只能保证每次读取的是最新的值,但是volatile没办法保证对变量的操作的原子性。
线程1对变量进行读取操作之后,被阻塞了的话,并没有对inc值进行修改。然后虽然volatile能保证线程2对变量inc的值读取是从内存中读取的,但是线程1没有进行修改,所以线程2根本就不会看到修改的值。
可通过如下三种方法达到预期输出:
第一种采用 synchronized
public class Counter {
private volatile static int count = 0;
private synchronized void increase() {
count ++;
}
public static void main(String[] args) {
final Counter counter = new Counter();
for (int i = 0; i < 10 ; i++) {
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
for (int j = 0; j < 1000 ; j++) {
counter.increase();
}
}
}).start();
}
System.out.println("count: " + count);
}
}
第二种采用Lock
public class Counter {
private volatile static int count = 0;
private Lock lock = new ReentrantLock();
private synchronized void increase() {
lock.lock();
try {
count ++;
} finally {
lock.unlock();
}
}
public static void main(String[] args) {
final Counter counter = new Counter();
for (int i = 0; i < 10 ; i++) {
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
for (int j = 0; j < 1000 ; j++) {
counter.increase();
}
}
}).start();
}
System.out.println("count: " + count);
}
}
第三种采用AtomicInteger
public class Counter {
private AtomicInteger mAtomicInteger = new AtomicInteger();
private void increase() {
mAtomicInteger.getAndIncrement();
}
public static void main(String[] args) {
final Counter counter = new Counter();
for (int i = 0; i < 10 ; i++) {
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
for (int j = 0; j < 1000 ; j++) {
counter.increase();
}
}
}).start();
}
System.out.println("count: " + counter.mAtomicInteger);
}
}
在java 1.5的java.util.concurrent.atomic包下提供了一些原子操作类,即对基本数据类型的 自增(加1操作),自减(减1操作)、以及加法操作(加一个数),减法操作(减一个数)进行了封装,保证这些操作是原子性操作。atomic是利用CAS来实现原子性操作的(Compare And Swap),CAS实际上是利用处理器提供的CMPXCHG指令实现的,而处理器执行CMPXCHG指令是一个原子性操作。
四、Volatile 的使用场景
1、状态标记量
volatile boolean flag = false;
while(!flag){
doSomething();
}
public void setFlag() {
flag = true;
}
2、double check
class Singleton{
private volatile static Singleton instance = null;
private Singleton() {
}
public static Singleton getInstance() {
if(instance==null) {
synchronized (Singleton.class) {
if(instance==null)
instance = new Singleton();
}
}
return instance;
}
}
参考 https://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3920373.html