线程安全(上)--彻底搞懂volatile关键字 (2)

这句指令的意思就是在寄存器执行一个加0的空操作。不过这条指令的前面有一个lock(锁)前缀。
当处理器在处理拥有lock前缀的指令时:
在之前的处理中,lock会导致传输数据的总线被锁定,其他处理器都不能访问总线,从而保证处理lock指令的处理器能够独享操作数据所在的内存区域,而不会被其他处理所干扰。
但由于总线被锁住,其他处理器都会被堵住,从而影响了多处理器的执行效率。为了解决这个问题,在后来的处理器中,处理器遇到lock指令时不会再锁住总线,而是会检查数据所在的内存区域,如果该数据是在处理器的内部缓存中,则会锁定此缓存区域,处理完后把缓存写回到主存中,并且会利用缓存一致性协议来保证其他处理器中的缓存数据的一致性。

缓存一致性协议

刚才我在说可见性的时候,说“如果一个共享变量被一个线程修改了之后,当其他线程要读取这个变量的时候,最终会去内存中读取,而不是从自己的工作空间中读取”,实际上是这样的:
线程中的处理器会一直在总线上嗅探其内部缓存中的内存地址在其他处理器的操作情况,一旦嗅探到某处处理器打算修改其内存地址中的值,而该内存地址刚好也在自己的内部缓存中,那么处理器就会强制让自己对该缓存地址的无效。所以当该处理器要访问该数据的时候,由于发现自己缓存的数据无效了,就会去主存中访问。

有序性

实际上,当我们把代码写好之后,虚拟机不一定会按照我们写的代码的顺序来执行。例如对于下面的两句代码:

int a = 1; int b = 2;

对于这两句代码,你会发现无论是先执行a = 1还是执行b = 2,都不会对a,b最终的值造成影响。所以虚拟机在编译的时候,是有可能把他们进行重排序的。
为什么要进行重排序呢?
你想啊,假如执行 int a = 1这句代码需要100ms的时间,但执行int b = 2这句代码需要1ms的时间,并且先执行哪句代码并不会对a,b最终的值造成影响。那当然是先执行int b = 2这句代码了。
所以,虚拟机在进行代码编译优化的时候,对于那些改变顺序之后不会对最终变量的值造成影响的代码,是有可能将他们进行重排序的。
更多代码编译优化可以看我写的另一篇文章:
虚拟机在运行期对代码的优化策略


那么重排序之后真的不会对代码造成影响吗?
实际上,对于有些代码进行重排序之后,虽然对变量的值没有造成影响,但有可能会出现线程安全问题的。具体请看下面的代码

public class NoVisibility{ private static boolean ready; private static int number; private static class Reader extends Thread{ public void run(){ while(!ready){ Thread.yield(); } System.out.println(number); } } public static void main(String[] args){ new Reader().start(); number = 42; ready = true; } }

这段代码最终打印的一定是42吗?如果没有重排序的话,打印的确实会是42,但如果number = 42和ready = true被进行了重排序,颠倒了顺序,那么就有可能打印出0了,而不是42。(因为number的初始值会是0).
因此,重排序是有可能导致线程安全问题的。


如果一个变量被声明volatile的话,那么这个变量不会被进行重排序,也就是说,虚拟机会保证这个变量之前的代码一定会比它先执行,而之后的代码一定会比它慢执行。
例如把上面中的number声明为volatile,那么number = 42一定会比ready = true先执行。

不过这里需要注意的是,虚拟机只是保证这个变量之前的代码一定比它先执行,但并没有保证这个变量之前的代码不可以重排序。之后的也一样。

volatile关键字能够保证代码的有序性,这个也是volatile关键字的作用。
总结一下,一个被volatile声明的变量主要有以下两种特性保证保证线程安全。

可见性。

有序性。

volatile真的能完全保证一个变量的线程安全吗?

我们通过上面的讲解,发现volatile关键字还是挺有用的,不但能够保证变量的可见性,还能保证代码的有序性。
那么,它真的能够保证一个变量在多线程环境下都能被正确的使用吗?
答案是否定的。原因是因为Java里面的运算并非是原子操作

原子操作

原子操作:即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。
也就是说,处理器要嘛把这组操作全部执行完,中间不允许被其他操作所打断,要嘛这组操作不要执行。
刚才说Java里面的运行并非是原子操作。我举个例子,例如这句代码

int a = b + 1;

处理器在处理代码的时候,需要处理以下三个操作:

从内存中读取b的值。

进行a = b + 1这个运算

把a的值写回到内存中

而这三个操作处理器是不一定就会连续执行的,有可能执行了第一个操作之后,处理器就跑去执行别的操作的。

证明volatile无法保证线程安全的例子

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