对象的可见性 – volatile篇

对象的可见性 – volatile篇

 

前言

今天给大家带来的是《对象的可见性 – volatile篇》,希望有所帮助,谢谢

文章如果有误,希望大家可以指出,真心感谢

简介

当一个线程修改了某个共享变量时(非局部变量,所有线程都可以访问得到),其他线程总是能立马读到最新值,这时我们就说这个变量是具有可见性的

如果是单线程,那么可见性是毋庸置疑的,肯定改了就能看到(直肠子,有啥说啥,大家都能看到)

但是如果是多线程,那么可见性就需要通过一些手段来维持了,比如加锁或者volatile修饰符(花花肠子,各种套路让人措手不及)

PS:实际上,没有真正的直肠子,据科学研究表明,人的肠子长达8米左右(~身高的5倍)

目录

  1. 单线程和多线程中的可见性对比
  2. volatile修饰符
  3. 指令重排序
  4. volatile和加锁的区别

正文

1. 单线程和多线程中的可见性对比

这里我们举两个例子来看下,来了解什么是可见性问题

下面是一个单线程的例子,其中有一个共享变量

public class SignleThreadVisibilityDemo {
    // 共享变量
    private int number;
    public void setNumber(int number){
        this.number = number;
    }
    public int getNumber(){
        return this.number;
    }
    public static void main(String[] args) {
        SignleThreadVisibilityDemo demo = new SignleThreadVisibilityDemo();
        System.out.println(demo.getNumber());
        demo.setNumber(10);
        System.out.println(demo.getNumber());
    }
}

输出如下:可以看到,第一次共享变量number为初始值0,但是调用setNumber(10)之后,再读取就变成了10

0
10

改了就能看到,如果多线程也有这么简单,那多好(来自菜鸟的内心独白)。

下面我们看一个多线程的例子,还是那个共享变量

package com.jalon.concurrent.chapter3;

/**
 * <p>
 *  可见性:多线程的可见性问题
 * </p>
 *
 * @author: JavaLover
 * @time: 2021/4/27
 */
public class MultiThreadVisibilityDemo {
    // 共享变量
    private int number;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        MultiThreadVisibilityDemo demo = new MultiThreadVisibilityDemo();
        new Thread(()->{
          	// 这里我们做个假死循环,只有没给number赋值(初始化除外),就一直循环
            while (0==demo.number);
            System.out.println(demo.number);
        }).start();
        Thread.sleep(1000);
        // 168不是身高,只是个比较吉利的数字
        demo.setNumber(168);
    }

    public int getNumber() {
        return number;
    }

    public void setNumber(int number) {
        this.number = number;
    }

}

输出如下:


你没看错,就是输出为空,而且程序还在一直运行(没有试过,如果不关机,会不会有输出number的那一天)

这时就出现了可见性问题,即主线程改了共享变量number,而子线程却看不到

原因是什么呢?

我们用图来说话吧,会轻松点

%title插图%num

步骤如下:

  1. 子线程读取number到自己的栈中,备份
  2. 主线程读取number,修改,写入,同步到内存
  3. 子线程此时没有意识到number的改变,还是读自己栈中的备份ready(可能是各种性能优化的原因)

那要怎么解决呢?

加锁或者volatile修饰符,这里我们加volatile

修改后的代码如下:

public class MultiThreadVisibilityDemo {
    // 共享变量,加了volatile修饰符,此时number不会备份到其他线程,只会存在共享的堆内存中
    private volatile int number;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        MultiThreadVisibilityDemo demo = new MultiThreadVisibilityDemo();
        new Thread(()->{
            while (0==demo.number);
            System.out.println(demo.number);
        }).start();
        Thread.sleep(1000);
        // 168不是身高,只是个比较吉利的数字
        demo.setNumber(168);
    }

    public int getNumber() {
        return number;
    }

    public void setNumber(int number) {
        this.number = number;
    }

}

输出如下:

168

可以看到,跟我们预期的一样,子线程可以看到主线程做的修改

下面就让我们一起来探索volatile的小世界吧

2. volatile修饰符

volatile是一种比加锁稍弱的同步机制,它和加锁最大的区别就是,它不能保证原子性,但是它轻量啊

我们先把上面那个例子说完;

我们加了volatile修饰符后,子线程就可以看到主线程做的修改,那么volatile到底做了什么呢?

其实我们可以把volatile看做一个标志,如果虚拟机看到这个标志,就会认为被它修饰的变量是易变的,不稳定的,随时可能被某个线程修改;

此时虚拟机就不会对与这个变量相关的指令进行重排序(下面会讲到),而且还会将这个变量的改变实时通知到各个线程(可见性)

用图说话的话,就是下面这个样子:

%title插图%num

可以看到,线程中的number备份都不需要了,每次需要number的时候,都直接去堆内存中读取,这样就保证了数据的可见性

3. 指令重排序

指令重排序指的是,虚拟机有时候为了优化性能,会把某些指令的执行顺序进行调整,前提是指令的依赖关系不能被破坏(比如int a = 10; int b = a;此时就不会重排序)

下面我们看下可能会重排序的代码:

public class ReorderDemo {
    public static void main(String[] args) {
        int a = 1;
        int b = 2;
        int m = a + b;
        int c = 1;
        int d = 2;
        int n = c - d;
    }
}

这里我们要了解一个底层知识,就是每一条语句的执行,在底层系统都是分好几步走的(比如第一步,第二步,第三步等等,这里我们就不涉及那些汇编知识了,大家感兴趣可以参考看下《实战Java高并发》1.5.4);

现在让我们回到上面这个例子,依赖关系如下:

%title插图%num

可以看到,他们三三成堆,互不依赖,此时如果发生了重排序,那么就有可能排成下面这个样子

%title插图%num

(上图只是从代码层面进行的效果演示,实际上指令的重排序比这个细节很多,这里主要了解重排序的思想先)

由于m=a+b需要依赖a和b的值,所以当指令执行到m=a+b的add环节时,如果b还没准备好,那么m=a+b就需要等待b,后面的指令也会等待;

但是如果重排序,把m=a+b放到后面,那么就可以利用add等待的这个空档期,去准备c和d;

这样就减少了等待时间,提升了性能(感觉有点像上学时候学的C,习惯性地先定义变量一大堆,然后再编写代码)

4. volatile和加锁的区别

区别如下

加锁 volatile
原子性
可见性
有序性

上面所说的有序性指的就是禁止指令的重排序,从而使得多线程中不会出现乱序的问题;

我们可以看到,加锁和volatile最大的区别就是原子性;

主要是因为volatile只是针对某个变量进行修饰,所以就有点像原子变量的复合操作(虽然原子变量本身是原子操作,但是多个原子变量放到一起,就无法保证了)

总结

  1. 可见性在单线程中没问题,但是多线程会有问题
  2. volatile是一种比加锁轻量级的同步机制,可以保证变量的可见性和有序性(禁止重排序)
  3. 指令重排序:有时虚拟机为了优化性能,会在运行时把相互没有依赖的代码顺序重新排序,以此来减少指令的等待时间,提高效率
  4. 加锁和volatile的区别:加锁可以保证原子性,volatile不可以

参考内容:

  • 《Java并发编程实战》
  • 《实战Java高并发》

后记

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