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深入理解Java虚拟机笔记---volatile变量的特殊规则

当一个变量定义成volatile之后,它将具备两种特性:第一是保证此变量对所有线程的可见性,这里的“可见性”是指当一条线程修改了这个变量的值,新值对于其它线程是可以立即得知的,变量值在线程间传递均需要通过主内存来完成,如:线程A修改一个普通变量的值,然后向主内存进行回写,另外一条线程B在线程A回写完成了之后再从主内存进行读取操作,新变量的值才会对线程B可见。

关于volatile变量的可见性,很多人误以为以下描述成立:“volatile对所有线程是立即可见的,对volatile变量所有的写操作都能立即返回到其它线程之中,换句话说,volatile变量在各个线程中是一致的,所以基于volatile变量的运算在并发下是安全的”。这句话的论据部分并没有错,但是其论据并不能得出“基于基于volatile变量的运算在并发下是安全的”这个结论。volatile变量在各个线程的工作内存中不存在一致性问题(在各个线程的工作内存中volatile变量也可以存在不一致的情况,但由于每次使用之前都要先刷新,执行引擎看不到不致的情况,因此可以认为不存在一致性问题),但是Java里的运算并非原子操作,导致volatile变量的运算在并发下一样是不安全的。

由于volatile变量只能保证可见性,在不符合以下条件规则的去处场景中,仍然需要通过加锁来保证原子性。

  1. 运算结果不依赖变量的当前值,或者能确保只有单一的线程改变变量的值。
  2. 变量不需要与其它的状态变量共同参与不变约束。

使用volatile变量的第二个语义是禁止指令重排序优化,变通的变量仅仅会保证在该方法的执行过程中所有依赖赋值结果的地方能获取到正确的结果,而不能保证变量的赋值操作的顺序与程序代码中的执行顺序一致。因为在一个线程的方法执行过程中无法感知到这一点,这也就是Java内存模型中描述的所谓的”线程内表现为串行的语义“(Within-Thread As-If-Serial Sematics)。

Map configOptions;
char[] configText;
//此变量必须定义为volatile
volatile boolean initialized = false;
//假设以下代码在线程A中执行
//模拟读取配置信息,当读取完成后
//将initialized设置为true来通知其它线程配置可用
configOptions = new HashMap();
configText = readConfigFile(fileName);
processConfigOptions(configText, configOptions);
initialized = true;

//假设以下代码在线程B中执行
//等线程A待initialized为true,代表线程A已经把配置信息初始化完成
while(!initialized) {
    sleep();
}
//使用线程A中初始化好的配置信息
doSomethingWithConfig();

上面为一段伪代码,其中描述的场景十分常见,只是我们在处理配置文件时一般不会出现并发而已。如果定义initialized变量时没有使用volatile修饰,就可能会由于指令重排序的优化,导致位于线程A中最后一句的代码”initialized = true“被提前执行,这样在线程B中使用配置信息的代码就可能出现错误,而volatile关键字则可以避免此类情况的发生。

Java内存模型中对volatile变量定义的特殊规则。假定T表示一个线程,V和W分别表示两个volatile变量,那么在进行read、load、use、assign、store、write操作时需要满足如下的规则:

  1. 只有当线程T对变量V执行的前一个动作是load的时候,线程T才能对变量V执行use动作;并且,只有当线程T对变量V执行的后一个动作是use的时候,线程T才能对变量V执行load操作。线程T对变量V的use操作可以认为是与线程T对变量V的load和read操作相关联的,必须一起连续出现。这条规则要求在工作内存中,每次使用变量V之前都必须先从主内存刷新最新值,用于保证能看到其它线程对变量V所作的修改后的值。
  2. 只有当线程T对变量V执行的前一个动是assign的时候,线程T才能对变量V执行store操作;并且,只有当线程T对变量V执行的后一个动作是store操作的时候,线程T才能对变量V执行assign操作。线程T对变量V的assign操作可以认为是与线程T对变量V的store和write操作相关联的,必须一起连续出现。这一条规则要求在工作内存中,每次修改V后都必须立即同步回主内存中,用于保证其它线程可以看到自己对变量V的修改。
  3. 假定操作A是线程T对变量V实施的use或assign动作,假定操作F是操作A相关联的load或store操作,假定操作P是与操作F相应的对变量V的read或write操作;类型地,假定动作B是线程T对变量W实施的use或assign动作,假定操作G是操作B相关联的load或store操作,假定操作Q是与操作G相应的对变量V的read或write操作。如果A先于B,那么P先于Q。这条规则要求valitile修改的变量不会被指令重排序优化,保证代码的执行顺序与程序的顺序相同。
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