3.volatile基本原理及缺陷

概述

想要多线程程序正确的执行，必须要保证原子性、可见性及有序性。只要有一个没有被保证，就有可能导致程序运行不正确。

案例

代码如下

package com.fun.demo;

public class DemoTicketVolatile {
    public static void main(String[] args) {
        TicketTask task = new TicketTask();
        new Thread(task, "窗口1").start();
        task.flag = false;
        System.out.println(task.flag);
    }

    static class TicketTask implements Runnable {

        public volatile boolean flag = true;

        @Override
        public void run() {
            System.out.println("了线程执行");
            while (flag) {

            }
            System.out.println("了线程结束");
        }
    }
}

执行结果

原理

java语言对 volatile 的定义：java允许线程访问共享变量，为了确保共享变量被准确和一致的更新，线程应保证通过排他锁单独获得这个变量，即 volatile 可以保证多线程场景下变量的 可见性 和 有序性。如果某变量用 volatile 修饰，则可以确保所有线程看到变量的值是一致的。

注意：volatiile 使用起来简单，但用好并不容易，对变量的操作一般会选择 JUC 中原子类，boolean 是它的一种常见用法。

实现内存可见性的过程

volatile 实现内存可见性的过程：

• 线程写 volatile 变量的过程：
  • 1.改变线程本地内存中 volatile 变量副本的值
  • 2.将改变后副本的值从本地内存刷新至主内存
• 线程读 volatile 变量的过程：
  • 1.从主内存中读取 volatile 变量的最新值至线程的本地内存中
  • 2.从本地内存中读取 volatile 变量的副本

硬件上的内存屏障

Load屏障，在x86上是 ifence 指令，在其它指令前插入 ifence 指令，可以让cpu寄存器中的数据失效，强制当前线程从主内存里面加载数据到cpu寄存器中。

Store屏障，在x86上是 sfence 指令，在其它指令后插入 sfence 指令，能让当前线程写入cpu寄存器的最新数据 ，写入到主内存，并让其它线程可见。

底层分析

volatile 实现内存可见性原理：内存屏障 (Memory Barrier)

内存屏障是一种cpu指令(系统层面的操作)，用于控制特定条件下的重排序和内存可见性问题。
java编译器也会根据内存屏障的规则禁止重排序。

• 写操作时，通过在写操作指令后加入一条store屏障指令，让本地内存中变量的值能够刷新到主内存中
• 读操作时，通过在读操作前加入一条load屏障指令，及时读取到变量在主内存的值

java中的四种内存屏障

屏障	例子	详解
LoadLoad屏障	Load1;LoadLoad;Load2	LoadLoad中两个Load，前一个对应Load1，后一个对应Load2；保证Load1从主内存里读取过程完成，在Load2及后续读操作之前。
StoreStore屏障	Store1;StoreStore;Store2	StoreStore中两个Store，前一个对应Store1存储代码，后个对应Store2存储代码，在Store2及后续写操作执行前，保证Store1的写入操作已将数据写入到主内存里，确认Store1的写入操作对其它线程可见。
LoadStore屏障	Load1;LoadStore;Store2	LoadStore中的Load对应Load1加载代码，Store对应Store2存储代码，在Store2及后结代码写入操作执行前，保证Load1从主内存里读取完毕所需要的数据。
StoreLoad屏障	Store1;StoreLoad;Load2	在Load2及后续读取操作之前，保证Store1的写入操作已经将数据写入到主内存里，确认Store1的写入操作对其它处理器可见。

缺陷

代码

package com.fun.demo;

public class DemoTicketVolatile {
    public static void main(String[] args) {
        TicketTask task = new TicketTask();
        new Thread(task, "窗口1").start();
        new Thread(task, "窗口2").start();
        new Thread(task, "窗口3").start();

    }

    static class TicketTask implements Runnable {

        private volatile int tickets = 100;

        @Override
        public void run() {
            while (true) {
                if (tickets > 0) {
                    try {
                        Thread.sleep(20);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-正在卖票:" + tickets--);
                }
            }
        }
    }
}

执行结果

由下图可知，tickets-- 不是原子性操作。导致执行出了问题。

结束

至此，volatile基本原理及缺陷 就结束了，如有疑问，欢迎评论区留言。