关于对Java中volatile关键字的理解与简述

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出自【进步*于辰的博客】

启发之作:Java volatile关键字最全总结:原理剖析与实例讲解(简单易懂)(转发)。
参考笔记二,P73、P74.1。

文章目录

  • 1、关于JMM规范
  • 2、关于`volatile`
  • 3、关于`volatile`的运用
  • 4、最后

在学习 volatile关键字之前,我们先了解一下JMM规范和并发编程中的三个概念。

1、关于JMM规范

什么是 J M M ? \color{grey}{什么是JMM?} 什么是JMM
JMM(Java module memory,Java内存模型)是一个抽象概念,并不真实存在于内存。它是用于定义程序中各个变量(成员变量、类变量、数组元素等)的一组规范和规则,指定变量的访问方式。

规定: \color{red}{规定:} 规定:

  1. 线程解锁之前必须将共享变量刷新回主内存;
  2. 线程加锁之前必须读取主内存中变量的最新值到工作空间;
  3. 解锁和加锁必须是同一把锁。

大家可能不解其意,这就需要涉及另一个概念: 线程空间 \color{green}{线程空间} 线程空间.。
什么是线程空间? \color{grey}{什么是线程空间?} 什么是线程空间?
程序执行JMM规范的实体是线程,当线程创建时,JMM会为其创建一个私有内存(也称为 工作内存、本地内存或栈空间 工作内存、本地内存或栈空间 工作内存、本地内存或栈空间)。JMM规定所有变量都保存在主内存,线程访问变量时需为变量创建一个副本至工作内存进行操作,完成后将变量值返回主内存,且线程通信在主内存进行。

2、关于volatile

并发编程的三个概念:

  1. 可见性: \color{green}{可见性:} 可见性:指线程对变量的修改,其他线程可见;
  2. 原子性: \color{blue}{原子性:} 原子性:指线程对变量的操作的整个过程不会被阻塞或分割;
  3. 有序性: \color{brown}{有序性:} 有序性:也称为 “指令重排” \color{red}{“指令重排”} 指令重排,指程序运行时,编译器基于提高性能需要,以指令间的数据依赖性作为依据对指令进行重新排列。执行顺序:编译器重排 → 指令并行重排 → 内存系统重排。

volatile 是什么? \color{grey}{是什么?} 是什么?
volatile是一种轻量级的同步机制,而synchronized是一种重量级的同步机制(“级”是指对变量访问的限制程度)。volatile遵循JMM规范实现了可见性和有序性,但不保证原子性。因此,限制线程在访问由volatile修饰的变量时,从主内存获取数据,而不是从工作内存,在数据操作完成后再刷新回主内存,故在保证原子性的情况下,可实现线程安全。

注:如何保证原子性?如程序中不存在多线程对变量进行非原子性操作,举个例:a++是原子操作,而a+=1不是。

volatile 的一个经典应用: \color{red}{的一个经典应用:} 的一个经典应用:

关于单例模式,可查阅博文【关于对【单例模式_java】的理解与简述】。

从文中可知, “双重检测机制” \color{green}{“双重检测机制”} 双重检测机制可解决“懒汉式”的线程安全问题。其实,“双重同步锁”也有漏洞。
以那篇博文的示例为例:

instance = new Singleton();

实例化分为三步:1、创建实例,分配内存;2、实例初始化;3、令instance指向此实例。其中,2和3都依赖于1,而2与3之间没有依赖关系,故指令重排会将2与3对调(原因可能是实例初始化耗时较长)。因此,当instance指向实例时,实例可能还未初始化,下一个线程就会出现并发问题(暂不清楚原因),用volatile禁止指令重排即可解决。

3、关于volatile的运用

学以致用才是检验学习效果最好的方法。从上文可知,volatile关键字可以解决这两种情形下的线程安全问题。

  1. 多线程并发访问变量,线程体中不存在非原子操作的情况;
  2. 弥补 双重同步锁 \color{green}{双重同步锁} 双重同步锁的漏洞。

那我们就一一测试检测一下。

1、情形一:创建10个线程对同一个成员变量并发修改1万次。
示例。

volatile int a;
public static void main(String[] args) throws Exception {
    C c1 = new C();// C 是当前类名
    int i = 10;
    while (i-- > 0) {
        new Thread(() -> {
            int n = 10000;
            while (n-- > 0) {
                c1.a++;
            }
        }).start();
    }
    Thread.sleep(10000);// 主线程停留10s足以保证10个子线程运行完成
    System.out.println(c1.a);
}

最后c1.a的输出结果并不是100000(10s足够10个子线程执行完成)。可见,并未解决线程安全问题。

2、情形二:多线程并发调用newInstance()获取单例模式类实例。
实体类。

class SingleTon {
    private static SingleTon instance;
    private SingleTon() {}
    public static SingleTon newInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (SingleTon.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new SingleTon();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

测试:创建一万个线程并发调用newInstance(),判断获取的实例是否都为单例。

List<SingleTon> list = new Vector<>();
int i = 10000;
while (i-- > 0) {
    new Thread(() -> {
        SingleTon s1 = SingleTon.getInstance();
        if (list.size() > 0 && list.indexOf(s1) == -1)
            System.out.println("违反单例");// 未执行
        list.add(s1);
    }).start();
}
Thread.sleep(1000);
System.out.println(list.size());// 10000

Vector 类线程同步,故list.add(s1)也是线程同步的。
未打印“违反单例”,表示list中存储的所有s1都指向同一个实例,保证了“单例”,说明线程安全。

不过,还证明不了这是volatile的功劳,因为 双重检测机制 \color{blue}{双重检测机制} 双重检测机制本身对线程安全就有很大的保证性。
于是,我把10000改成了100000,好吧。。。还是未打印“违反单例”,看来双重同步锁真的很强大。

4、最后

大家肯定也看出来了,在上面的示例中,我的本意是想创建十万个线程调用newInstance(),通过是否打印“违反单例”来触发 双重同步锁 \color{brown}{双重同步锁} 双重同步锁的漏洞,然后用volatile声明instance来解决线程安全问题,可我失败了。。。
大家也看得出来,我对volatile关键字的理解还不够透彻,毕竟哪有这样测试的。
因此,本文的目的是为了让大家对volatile关键字有一个初步的了解,我继续努力!!

本文完结。

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