java 多線程變量可見性

什么是volatile變量？

volatile是Java中的關鍵字。 您不能將其用作變量或方法名稱。 期。

我們什么時候應該使用它？

哈哈，對不起，沒辦法。

當我們在多線程環(huán)境中與多個線程共享變量時，通常使用volatile關鍵字，并且我們希望避免由于這些變量在CPU高速緩存中的緩存而導致任何內存不一致錯誤 。

考慮下面的生產者/消費者示例，其中我們一次生產/消費一件商品：

public class ProducerConsumer {private String value = "";private boolean hasValue = false;public void produce(String value) {while (hasValue) {try {Thread.sleep(500);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}System.out.println("Producing " + value + " as the next consumable");this.value = value;hasValue = true;}public String consume() {while (!hasValue) {try {Thread.sleep(500);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}String value = this.value;hasValue = false;System.out.println("Consumed " + value);return value;} }

在上述類中， Produce方法通過將其參數存儲到value中并將hasValue標志更改為true來生成一個新值。 while循環(huán)檢查值標志（ hasValue ）是否為true，這表示存在尚未使用的新值，如果為true，則請求當前線程進入睡眠狀態(tài)。 僅當hasValue標志已更改為false時，此睡眠循環(huán)才會停止，這僅在consumer方法使用了新值時才有可能。 如果沒有新值可用，那么消耗方法將請求當前線程Hibernate。 當Produce方法產生一個新值時，它將終止其睡眠循環(huán)，使用它并清除value標志。

現在想象一下，有兩個線程正在使用此類的對象–一個正在嘗試產生值（寫線程），另一個正在使用它們（讀線程）。 以下測試說明了這種方法：

public class ProducerConsumerTest {@Testpublic void testProduceConsume() throws InterruptedException {ProducerConsumer producerConsumer = new ProducerConsumer();List<String> values = Arrays.asList("1", "2", "3", "4", "5", "6", "7", "8","9", "10", "11", "12", "13");Thread writerThread = new Thread(() -> values.stream().forEach(producerConsumer::produce));Thread readerThread = new Thread(() -> {for (int i = 0; i > values.size(); i++) {producerConsumer.consume();}});writerThread.start();readerThread.start();writerThread.join();readerThread.join();} }

該示例在大多數情況下將產生預期的輸出，但也很有可能陷入僵局！

怎么樣？

讓我們談談計算機體系結構。

我們知道計算機由CPU和內存單元（以及許多其他部件）組成。 即使主存儲器是我們所有程序指令和變量/數據所在的位置，CPU仍可以在程序執(zhí)行期間將變量的副本存儲在其內部存儲器（稱為CPU緩存）中，以提高性能。 由于現代計算機現在具有不止一個CPU，因此也有不止一個CPU緩存。

在多線程環(huán)境中，可能有多個線程同時執(zhí)行，每個線程都在不同的CPU中運行（盡管這完全取決于底層操作系統(tǒng)），并且每個線程都可以從main復制變量。內存放入相應的CPU緩存中。 當線程訪問這些變量時，它們隨后將訪問這些緩存的副本，而不是主內存中的實際副本。

現在，假設測試中的兩個線程在兩個不同的CPU上運行，并且hasValue標志已緩存在其中一個（或兩個）上。 現在考慮以下執(zhí)行順序：

writerThread產生一個值，并將hasValue更改為true。 但是，此更新僅反映在緩存中，而不反映在主存儲器中。

readerThread嘗試使用一個值，但是hasValue標志的緩存副本設置為false。 因此，即使writerThread產生了一個值，它也無法使用它，因為線程無法脫離睡眠循環(huán)（ hasValue為false）。

由于readerThread沒有使用新生成的值， writerThread不能繼續(xù)進行，因為該標志沒有被清除，因此它將停留在其Hibernate循環(huán)中。

而且我們手中有一個僵局！

僅當hasValue標志跨所有緩存同步時，這種情況才會改變，這完全取決于基礎操作系統(tǒng)。

volatile如何適合此示例？

如果僅將hasValue標志標記為volatile ，則可以確保不會發(fā)生這種類型的死鎖：

private volatile boolean hasValue = false;

將變量標記為volatile將迫使每個線程直接從主內存中讀取該變量的值。 而且，每次對volatile變量的寫操作都會立即刷新到主存儲器中。 如果線程決定緩存該變量，則它將在每次讀/寫時與主內存同步。

進行此更改之后，請考慮導致死鎖的先前執(zhí)行步驟：

作家線程 ? 產生一個值，并將hasValue更改為true。 這次更新將直接反映到主內存中（即使已緩存）。

讀取器線程正在嘗試使用一個值，并檢查hasValue的值。 這次，每次讀取都將強制直接從主內存中獲取值，因此它將獲取寫入線程所做的更改。

閱讀器線程使用生成的值，并清除標志的值。 這個新值將進入主內存（如果已緩存，則緩存的副本也將被更新）。

編寫器線程將接受此更改，因為每個讀取現在都在訪問主內存。 它將繼續(xù)產生新的價值。

瞧！ 我們都很高興^ _ ^！

這是否所有的易失性行為都迫使線程直接從內存中讀取/寫入變量？

實際上，它還具有其他含義。 訪問易失性變量會在程序語句之間建立先發(fā)生后關系。

什么是

兩個程序語句之間的先發(fā)生后關系是一種保證，可確保一個語句寫的任何內存對另一條語句可見。

它與

當我們寫入一個易失性變量時，它會在以后每次讀取該相同變量時創(chuàng)建一個事前發(fā)生的關系。 因此，在對該易失性變量進行寫操作之前執(zhí)行的所有內存寫操作，對于該易失性變量的讀取之后的所有語句，隨后都將可見。

Err..Ok ....我明白了，但也許是一個很好的例子。

好的，對模糊的定義表示抱歉。 考慮以下示例：

// Definition: Some variables private int first = 1; private int second = 2; private int third = 3; private volatile boolean hasValue = false;// First Snippet: A sequence of write operations being executed by Thread 1 first = 5; second = 6; third = 7; hasValue = true;// Second Snippet: A sequence of read operations being executed by Thread 2 System.out.println("Flag is set to : " + hasValue); System.out.println("First: " + first); // will print 5 System.out.println("Second: " + second); // will print 6 System.out.println("Third: " + third); // will print 7

假設上面的兩個代碼片段由兩個不同的線程（線程1和2）執(zhí)行。當第一個線程更改hasValue時 ，它不僅會將此更改刷新到主內存，還將導致前三個寫操作（以及其他任何寫操作）先前的寫入）也要刷新到主存儲器中！ 結果，當第二個線程訪問這三個變量時，它將看到線程1進行的所有寫操作，即使它們之前都已被緩存（這些緩存的副本也將被更新）！

這就是為什么我們在第一個示例中也不必用volatile標記值變量的原因。 由于我們在訪問hasValue之前已寫入該變量，并在讀取hasValue之后對其進行了讀取，因此該變量會自動與主內存同步。

這還有另一個有趣的結果。 JVM以其程序優(yōu)化而聞名。 有時，它在不更改程序輸出的情況下重新排列程序語句以提高性能。 例如，它可以更改以下語句序列：

first = 5; second = 6; third = 7;

到這個：

second = 6; third = 7; first = 5;

但是，當語句涉及訪問volatile變量時，它將永遠不會移動發(fā)生在volatile寫入之后的語句。 這意味著它將永遠不會改變：

first = 5; // write before volatile write second = 6; // write before volatile write third = 7; // write before volatile write hasValue = true;

到這個：

first = 5; second = 6; hasValue = true; third = 7; // Order changed to appear after volatile write! This will never happen!

即使從程序正確性的角度來看，它們似乎都是等效的。 請注意，只要它們都出現在易失性寫入之前，仍然允許JVM在它們之間對前三個寫入進行重新排序。

同樣，JVM也不會更改在讀取易失性變量后出現在訪問之前的語句的順序。 這意味著：

System.out.println("Flag is set to : " + hasValue); // volatile read System.out.println("First: " + first); // Read after volatile read System.out.println("Second: " + second); // Read after volatile read System.out.println("Third: " + third); // Read after volatile read

JVM絕不會將其轉換為：

System.out.println("First: " + first); // Read before volatile read! Will never happen! System.out.println("Fiag is set to : " + hasValue); // volatile read System.out.println("Second: " + second); System.out.println("Third: " + third);

但是，JVM可以肯定它們中最后三個讀取的順序，只要它們在可變讀取之后一直出現。

我認為必須為易失性變量付出性能損失。

您說對了，因為易失性變量會強制訪問主內存，并且訪問主內存總是比訪問CPU緩存慢。 它還會阻止JVM對某些程序進行優(yōu)化，從而進一步降低性能。

我們是否可以始終使用易變變量來維護線程之間的數據一致性？

不幸的是沒有。 當多個線程讀寫同一變量時，將其標記為volatile不足以保持一致性。 考慮以下UnsafeCounter類：

public class UnsafeCounter {private volatile int counter;public void inc() {counter++;}public void dec() {counter--;}public int get() {return counter;} }

和以下測試：

public class UnsafeCounterTest {@Testpublic void testUnsafeCounter() throws InterruptedException {UnsafeCounter unsafeCounter = new UnsafeCounter();Thread first = new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 5; i++) { unsafeCounter.inc();}});Thread second = new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 5; i++) {unsafeCounter.dec();}});first.start();second.start();first.join();second.join();System.out.println("Current counter value: " + unsafeCounter.get());} }

該代碼是不言自明的。 我們在一個線程中遞增計數器，而在另一個線程中遞減計數器相同次數。 運行此測試后，我們希望計數器保持0，但這不能保證。 在大多數情況下，它將為0，在某些情況下，它將為-1，-2、1、2，即[-5、5]范圍內的任何整數值。

為什么會這樣？ 發(fā)生這種情況是因為計數器的遞增和遞減操作都不是原子的-它們不會一次全部發(fā)生。 它們都由多個步驟組成，并且步驟順序相互重疊。 因此，您可以考慮以下增量操作：

讀取計數器的值。

添加一個。

寫回計數器的新值。

遞減操作如下：

讀取計數器的值。

從中減去一個。

寫回計數器的新值。

現在，讓我們考慮以下執(zhí)行步驟：

第一個線程已從內存中讀取計數器的值。 最初它設置為零。 然后向其中添加一個。

第二個線程還從內存中讀取了該計數器的值，并看到將其設置為零。 然后從中減去一個。

現在，第一個線程將counter的新值寫回內存，將其更改為1。

現在，第二個線程將計數器的新值寫回內存，即-1。

第一線程的更新丟失。

我們如何防止這種情況？

通過使用同步：

public class SynchronizedCounter {private int counter;public synchronized void inc() {counter++;}public synchronized void dec() {counter--;}public synchronized int get() {return counter;} }

或使用AtomicInteger ：

public class AtomicCounter {private AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();public void inc() {atomicInteger.incrementAndGet();}public void dec() {atomicInteger.decrementAndGet();}public int get() {return atomicInteger.intValue();} }

我個人的選擇是使用AtomicInteger作為同步對象，因為只有一個線程可以訪問任何inc / dec / get方法，從而大大降低了性能。

意思是不是……..？

對。 使用synced關鍵字還可以建立語句之間的事前發(fā)生關系。 輸入同步的方法/塊將在它之前出現的語句與該方法/塊內部的語句之間建立先發(fā)生后關系。 有關建立事前關系的完整列表，請轉到此處 。

就暫時而言，這就是我要說的。

• 所有示例都已上傳到我的github存儲庫中 。

翻譯自: https://www.javacodegeeks.com/2015/11/java-multi-threading-volatile-variables-happens-before-relationship-and-memory-consistency.html

java 多線程變量可見性

總結

以上是生活随笔為你收集整理的java 多线程变量可见性_Java多线程：易变变量，事前关联和内存一致性的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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