Volatile的作用

众所周知,volatile关键字可以让线程的修改立刻通知其他的线程,从而达到数据一致的作用。那么它具体涉及到哪些内容呢?

关于缓存

计算机最大的存储空间就是磁盘(硬盘),但是访问的速度也是最慢的,价格最便宜;再就是内存,容量更小,造价更高,但是速度也更快。不过跟cpu的计算速度比起来,那就太慢了。可以想像,如果cpu每次计算都要从内存读取数据,那大部分的时间估计都浪费在这上面了。所以就引入了缓存的概:

缓存的结构大概时这样的,从1级到3级速度越来越慢,最后通过总线与内存连接。如果时多核多cpu,那么结构大概是这样的:

多线程造成的缓存不一致

由于现在大部分的机器都有多个cpu,这就导致如果时运行多线程的任务,就可能运行在不同的cpu上。试想一下:

int a = 0;
int b = a;
b += 1;

如果开启两个线程执行,我们想要的结果是3,但是最后的结果只是2。这是因为在做加法运算的时候,cpu会先把a的值读入cpu的缓存,然后更新缓存,在更新内存。很有可能两个线程分散在两个cpu,每个都是对自己缓存内的数据进行读写,这样就造成了结果不一致的现象。

volatile的作用

volatile的作用就是当一个线程更新某个volatile声明的变量时,会通知其他的cpu使缓存失效,从而其他cpu想要做更新操作时,需要从内存重新读取数据。具体的通知方式,一种是通过某种协议,比如MESI;再就是对总线加锁,控制变量的读取。具体硬件上怎么个流程,我就搞不清楚了...

并发

这里还需要强调的时,并发编程涉及的三个特性:原子性、可见性、有序性。就好像分布式里面的cap一样,需要熟知。先来通俗的描述下:

原子性

即要么全做,要么全部做。比如从a银行转钱到b银行。

在编程中,除了long或者double外的变量更新就是原子操作。long和double除外,是因为它们在32位的操作系统上,会被分成两部分进行更新,此时就不是原子的。

再比如最常见的i++也不是原子的,它相当于先读取i进行+1操作更新三个步骤进行。

可见性

多个线程访问同一个变量时,这个变量被修改后,能被其他的线程看到。

有序性

比如

int a = 10; 
int r = 2;   
a = a + 3;  
r = a*a;    

这段代码有可能进行指令的重排,从而导致结果跟预期的不一致。指令的重排需要按照happens-before原则,比如:

  1. 程序次序原则,一个线程内,按照书写的顺序执行
  2. 锁定原则,lock前后执行
  3. volatile原则,volatile变量前后执行
  4. 传递原则,如果a需要调用b,那么a就会在b的前面

...

等等...

volatile的特性

volatile只能保证变量的可见性、有序性,但是不能保证原子性。因此可以用它来做double-check,但是不能来做i++的操作。如果想要实现i++的可靠性,必须依赖于synchronized、lock或者atomicXXX来实现。

参考

  1. 海子的《Java并发编程:volatile关键字解析》
  2. liuxiaopeng的《Java 并发编程:volatile的使用及其原理》:
  3. double check
  4. cpu缓存知识

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