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Java中的volatile关键字为什么不是不具有原子性
Java中long赋值不是原子操作,因为先写32位,再写后32位,分两步操作,而AtomicLong赋值是原子操作,为什么?为什么volatile能替代简单的锁,却不能保证原子性?这里面涉及volatile,是java中的一个我觉得这个词在Java规范中从未被解释清楚的神奇关键词,在Sun的JDK官方文档是这样形容volatile的:
The Java programming language provides a second mechanism, volatile fields, that is more convenient than locking for some purposes. A field may be declared volatile, in which case the Java Memory Model ensures that all threads see a consistent value for the variable.
意思就是说,如果一个变量加了volatile关键字,就会告诉编译器和JVM的内存模型:这个变量是对所有线程共享的、可见的,每次jvm都会读取最新写入的值并使其最新值在所有CPU可见。volatile似乎是有时候可以代替简单的锁,似乎加了volatile关键字就省掉了锁。但又说volatile不能保证原子性(java程序员很熟悉这句话:volatile仅仅用来保证该变量对所有线程的可见性,但不保证原子性)。这不是互相矛盾吗?
不要将volatile用在getAndOperate场合,仅仅set或者get的场景是适合volatile的
不要将volatile用在getAndOperate场合(这种场合不原子,需要再加锁),仅仅set或者get的场景是适合volatile的。
volatile没有原子性举例:AtomicInteger自增
例如你让一个volatile的integer自增(i++),其实要分成3步:1)读取volatile变量值到local; 2)增加变量的值;3)把local的值写回,让其它的线程可见。这3步的jvm指令为:
1 2 3 4 | mov 0xc (%r10),%r8d ; Load inc %r8d ; Increment mov %r8d, 0xc (%r10) ; Store lock addl $ 0x0 ,(%rsp) ; StoreLoad Barrier |
注意最后一步是内存屏障。
什么是内存屏障(Memory Barrier)?
内存屏障(memory barrier)是一个CPU指令。基本上,它是这样一条指令: a) 确保一些特定操作执行的顺序; b) 影响一些数据的可见性(可能是某些指令执行后的结果)。编译器和CPU可以在保证输出结果一样的情况下对指令重排序,使性能得到优化。插入一个内存屏障,相当于告诉CPU和编译器先于这个命令的必须先执行,后于这个命令的必须后执行。内存屏障另一个作用是强制更新一次不同CPU的缓存。例如,一个写屏障会把这个屏障前写入的数据刷新到缓存,这样任何试图读取该数据的线程将得到最新值,而不用考虑到底是被哪个cpu核心或者哪颗CPU执行的。
内存屏障(memory barrier)和volatile什么关系?上面的虚拟机指令里面有提到,如果你的字段是volatile,Java内存模型将在写操作后插入一个写屏障指令,在读操作前插入一个读屏障指令。这意味着如果你对一个volatile字段进行写操作,你必须知道:1、一旦你完成写入,任何访问这个字段的线程将会得到最新的值。2、在你写入前,会保证所有之前发生的事已经发生,并且任何更新过的数据值也是可见的,因为内存屏障会把之前的写入值都刷新到缓存。
volatile为什么没有原子性?
明白了内存屏障(memory barrier)这个CPU指令,回到前面的JVM指令:从Load到store到内存屏障,一共4步,其中最后一步jvm让这个最新的变量的值在所有线程可见,也就是最后一步让所有的CPU内核都获得了最新的值,但中间的几步(从Load到Store)是不安全的,中间如果其他的CPU修改了值将会丢失。下面的测试代码可以实际测试voaltile的自增没有原子性:
volatile没有原子性举例:singleton单例模式实现
这是一段线程不安全的singleton(单例模式)实现,尽管使用了volatile:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 | public class wrongsingleton { private static volatile wrongsingleton _instance = null ; private wrongsingleton() {} public static wrongsingleton getInstance() { if (_instance == null ) { _instance = new wrongsingleton(); } return _instance; } } |
下面的测试代码可以测试出是线程不安全的:
原因自然和上面的例子是一样的。因为volatile保证变量对线程的可见性,但不保证原子性。
附:正确线程安全的单例模式写法:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 | @ThreadSafe public class SafeLazyInitialization { private static Resource resource; public synchronized static Resource getInstance() { if (resource == null ) resource = new Resource(); return resource; } } |
另外一种写法:
1 2 3 4 5 | @ThreadSafe public class EagerInitialization { private static Resource resource = new Resource(); public static Resource getResource() { return resource; } } |
延迟初始化的写法:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 | @ThreadSafe public class ResourceFactory { private static class ResourceHolder { public static Resource resource = new Resource(); } public static Resource getResource() { return ResourceHolder.resource ; } } |
二次检查锁定/Double Checked Locking的写法(反模式)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 | public class SingletonDemo { private static volatile SingletonDemo instance = null ; //注意需要volatile private SingletonDemo() { } public static SingletonDemo getInstance() { if (instance == null ) { //二次检查,比直接用独占锁效率高 synchronized (SingletonDemo . class ){ if (instance == null ) { instance = new SingletonDemo (); } } } return instance; } } |
为什么AtomicXXX具有原子性和可见性?
就拿AtomicLong来说,它既解决了上述的volatile的原子性没有保证的问题,又具有可见性。它是如何做到的?当然就是上文《非阻塞同步算法与CAS(Compare and Swap)无锁算法》提到的CAS(比较并交换)指令。 其实AtomicLong的源码里也用到了volatile,但只是用来读取或写入,见源码:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 | public class AtomicLong extends Number implements java.io.Serializable { private volatile long value; /** * Creates a new AtomicLong with the given initial value. * * @param initialValue the initial value */ public AtomicLong( long initialValue) { value = http://www.mamicode.com/initialValue; } /** * Creates a new AtomicLong with initial value {@code 0}. */ public AtomicLong() { } |
其CAS源码核心代码为:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 | int compare_and_swap ( int * reg, int oldval, int newval) { ATOMIC(); int old_reg_val = *reg; if (old_reg_val == oldval) *reg = newval; END_ATOMIC(); return old_reg_val; } |
虚拟机指令为:
1 2 3 4 | mov 0xc (%r11),%eax ; Load mov %eax,%r8d inc %r8d ; Increment lock cmpxchg %r8d, 0xc (%r11) ; Compare and exchange |
因为CAS是基于乐观锁的,也就是说当写入的时候,如果寄存器旧值已经不等于现值,说明有其他CPU在修改,那就继续尝试。所以这就保证了操作的原子性。
参考链接:http://www.cnblogs.com/Mainz/p/3556430.html
Java中的volatile关键字为什么不是不具有原子性