volatile的使用与原子性问题
- 2020 年 3 月 10 日
- 筆記
1. volatile的使用
java源代码
public class VolatileUsedClass { private static int sharedVar = 10; public static void main(String[] args) throws Exception { Thread thread1 = new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { try { // modify the sharedVar,write first TimeUnit.MICROSECONDS.sleep(500L); sharedVar = 20; System.out.printf("%s modify the shared var to %s ...n", "thread-1", sharedVar); } catch (Exception e) { System.out.println(e); } } }); Thread thread2 = new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { try { // read the value,read for the last TimeUnit.MICROSECONDS.sleep(505L); System.out.printf("%s read the shared var %s n", "thread-2", sharedVar); } catch (Exception e) { System.out.println(e); } } }); thread2.start(); thread1.start(); thread1.join(); thread2.join(); System.out.println("finish the thread task..."); } }
客户端模式-client
- 不加volatile的执行结果(多次执行)
- 加volatile的执行结果(多次)
- 结果分析
- 在源代码中是添加时间休眠主要是保证先写后读的逻辑
- 从运行结果可以看出,虽然时间片很短,读线程的数据仍然是本地缓存的数据,并没有从主内存中读取值
- 添加volatile关键字之后,可以看到读线程的数据正是写线程之后的数据,也就是写读数据是一致的
服务端模式,-server
- 无volatile修饰的执行结果(多次)
- 有volatile修饰的执行结果(多次)
- 结果分析
- 不带volatile修饰与客户端执行效果一致
- 但是使用server模式带有volatile的方式却出现了数据不一致的情况,为什么?
- 原因在于-server模式会在编译成字节码的时候进行代码重排序导致的,主要用于优化程序提升执行效率
小结
- clinet模式是jdk执行的默认配置,可用于测试环境或者本地开发
- server模式一般用于生产环境,目的是开启server模式的时候编译器会针对OS系统情况做一些优化操作
- 服务端与客户端运行模式参考:
参考JVM Server vs Client Mode: https://javapapers.com/core-java/jvm-server-vs-client-mode/
2. 原子性问题
说明: 以下运行环境是使用-client模式进行,排除重排序的干扰
Java中的原子性
- jdk文档对于原子性的说明如下:
- 除了long和double类型之外,引用变量与大多数的原始数据类型都具备读写操作的原子性
- 所有使用volatile修饰的变量都具备读写操作的原子性
- 分析
- 针对64bit的数据类型,主要与处理器(32bit/64bit)有关,在32bit处理器上,JVM会将64bit的long/double划分为两个32bit的写操作,并不具备原子性(数据的读写主要是通过处理器总线与主内存进行传递)
- 基于Happen-Before原则,对于volatile的变量读取总是可以“看到”任何一个线程对该volatile变量的最后写入,因此在临界区代码的执行是具备原子性,即使是long或是double类型
volatile修饰单个变量的自增减问题
- 代码
// 部分代码,在上述的写线程进行修改, 前提: volatile修饰变量sharedVar Thread t1 = new Thread(){ @Override public void run() { try { // modify the sharedVar TimeUnit.MICROSECONDS.sleep(500L); sharedVar ++; System.out.printf("%s modify the shared var with atomic %s ...n", "thread-1", sharedVar); } catch (Exception e) { System.out.println(e); } } };
- 运行结果
- sharedVar = 20L显示的字节码如下:
L3 LINENUMBER 102 L3 BIPUSH 20 // 压入线程的操作数栈 INVOKESTATIC com/xiaokunliu/blogs/thread/volatile2code/VolatileUsedClass.access$002 (I)I //实例化并加载sharedVar并压入操作数栈,说明完成赋值操作 POP // 弹出数据 L4
- sharedVar ++ 显示的字节码如下:
L3 LINENUMBER 27 L3 INVOKESTATIC com/xiaokunliu/blogs/thread/volatile2code/VolatileUsedClass.access$000 ()I // 实例化并加载sharedVar并压入操作数栈 ICONST_1 // 将常量 1 压入线程操作数栈总 IADD // 执行sharedVar+1 INVOKESTATIC com/xiaokunliu/blogs/thread/volatile2code/VolatileUsedClass.access$002 (I)I // 重新实力化加载sharedVar,说明完成赋值操作 POP L4
- 运行分析:
- 通过字节码可知,sharedVar ++;相比单纯赋值操作增加了一个添加的动作
- 也就整体代码块存在在并发多线程下交替执行的两个操作,不具备原子性,volatile在这里是保证代码刷新到主内存,对于sharedVar = const 是具备原子性的
使用volatile小结
- 对变量进行写操作的时候可以通过volatile来实现对其他线程的可见,同样在单步指令操作中是具备原子性,针对long或者double也起到具备原子性的作用
- 对于需要用volatile修饰的变量来完成一系列的非单步操作运算是无法保证原子性,必须借助lock的方式来实现代码块的原子性
- JDK关于原子性问题说明参考:
参考JDK关于原子性文档: https://docs.oracle.com/javase/tutorial/essential/concurrency/atomic.html
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