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volatile与happens-before的关系与内存一致性错误

时间：2020-10-23 13:18:28 | 栏目：JAVA代码 | 点击：次

volatile变量

volatile是Java的关键词，我们可以用它来修饰变量或者方法。

为什么要使用volatile
volatile的典型用法是，当多个线程共享变量，且我们要避免由于内存缓冲变量导致的内存一致性（Memory Consistency Errors）错误时。

考虑以下的生产者消费者例子，在一个时刻我们生产或消费一个单位。

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;
 }
}

在这个例子中，produce方法产生一个新的值，并保存在value变量中，并且将hasValue标志位置为true。while循环检查hasValue是否为true，为true则标志产生的数据还没有被消费，如果为true，则休眠当前线程。当hasValue置为false的时候，休眠循环才会停止，也就是将数据被consume方法消费后。如果没有可用的数据，cosume方法会休眠。当produce方法产生一个新的数据后，consume会结束休眠，消费该数据，并清除hasValue标志位。

现在设想两个线程使用该类的同一个对象――一个用来产生数据（write线程），另一个用来消耗数据（read线程）。实例代码如下，

public class ProducerConsumerTest {
 @Test
 public 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();
 }
}

在大多数情况下，该例子会输出预期的结果，但是也有很大的可能进入死锁状态！

为什么会发生该现象？

首先我们介绍一点计算机架构的知识。

我们知道计算机包括了CPU和内存单元（还有其他组件）。程序指令和变量处在的内存成为主内存；在程序执行期间，为了更好的性能，CPU可能会在其内部内存（也就是CPU缓冲）中存放变量的拷贝。由于现在计算机包括了不止一个CPU，所以同时也包括了多个CPU缓冲。

在多线程环境中，多个线程有可能在同一个时间运行，每个在不同的CPU（由底层OS决定），并且他们可能从主内存中复制变量到对应的CPU缓冲中。当线程访问这些变量时，其访问的是这些缓冲的变量，并不是位于主内存的实际变量。

现在我们假设上个例子中的两个线程运行在两个不同的CPU上，并且hasValue变量被缓冲在其中一个CPU上（或者两个）。考虑以下的执行序列：

1.writer线程产生一个数据，并将hasValue设置为true。然而，这个改变只是体现在CPU缓冲上，而不是主内存。
2.reader线程准备消耗一个数据，但是其CPU缓冲的hasValue为false。所以即使writer线程产生了一个数据，reader线程也不能消耗该数据。
3.由于reader线程无法消费新产生的数据，writer线程也不能继续产生新的数据（由于hasValue为true），因此writer会休眠。
4.然后就出现了死锁！

当hasValue值在所有的缓冲中都同步（基于底层OS），该情形就会改变。

解决方案？volatile如何适用该例子？

如果我们将hasValue设置为volatile，那么我们可以保证这种类型的死锁不会出现。

private volatile boolean hasValue = false;
将一个变量设置为volatile后，线程就会直接从主内存中读取该变量的值，并且该变量的写入会立即刷新到主内存中。如果一个线程缓冲了该变量，那么每次读和写操作都会和主内存同步。

这个修改后，考虑上面那个可能会导致死锁的步骤：

1.writer产生了一个新的数据，并将hasValue设置为true。该更新会直接反映在主内存中（即使该线程使用了缓存）。
2.reader线程尝试消费一个变量，并检查hasValue的值。该变量的每次读都会直接从主内存获得，所以它能获得到writer线程导致的改变。
3.reader线程消费该变量并清楚hasValue标志位。该变量会刷新到主内存中（如果被缓存，则缓存的变量也会刷新）。
4.由于reader线程每次都操作的主内存，所以writer线程能看到reader导致的改变。其会继续产生新的数据。

volatile与happens-before关系

访问volatile变量在语句间建立了happens-before关系。当写入一个volatile变量时，它与之后的该变量的读操作建立了happens-before关系。那么什么是happens-before关系呢？可以参考笔者之前的博客[Java并发编程番外篇（二）happens-before关系]，简单来说，就是保证一个语句的影响会被另一个语句看到(https://www.jb51.net/article/161649.htm)。

考虑以下的例子，

// 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

我们假设两面的两个片段运行在两个线程――线程1和线程2. 当线程1修改hasValue值后，不仅仅hasValue的值会直接写入到主内存，前面的三个写操作也会写入主内存（和之前的其他写操作）。因此，当线程2访问这三个变量时，它会看到线程1对这些变量进行的修改，即使他们会缓存（这些缓存也会被更新）。

这也正是在第一个例子中，我们没有将value变量设置为volatile的原因。这是由于访问hasValue之前其他变量的写操作，和读hashValue之后其他变量的读操作，会自动和主内存同步。

这是另外一个有趣的序列。JVM以它的程序优化著名。有时候，在不影响输出的情况下，JVM会对指令进行重排序来获得更好的性能。作为例子，它可能将该序列的代码，

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

重排序为，

first = 5;
second = 6;
third = 7;
然而，当一个语句涉及到访问volatile变量，那么JVM就不会将一个volatile写操作之前的语句放到volatile写操作之后。也就是说，它不会将以下的代码序列， 
first = 5; // write before volatile write
second = 6; // write before volatile write
third = 7; // write before volatile write
hasValue = true;

修改成，

first = 5;
second = 6;
hasValue = true;
third = 7; // Order changed to appear after volatile write! This will never happen!
即使从代码正确性的角度来看，这两者是相同的。注意到JVM仍然允许重排序前三条语句，只要他们位于volatile写之前。

类似，JVM不会将位于volatile读之后的代码重排序到volatile读之前。也就是说该代码，

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

并不会修改为，


http://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);

然而，JVM可以将后三条语句重排序，只要他们在volatile读之后。

volatile带来的性能开销

volatile强制进行主内存访问，而主内存访问通常比CPU缓存访问慢。同时也阻止了JVM进行的一些程序优化，更进一步降低了性能。

能否使用volatile来保证多线程的数据一致性？

答案是不能。当多个线程访问同一个变量时，将该变量标志为volatile并不足以保证一致性，考虑下面的UnsafeCounter类，

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

测试代码，

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

代码很容易读懂。我们在一个线程中增加计数器的值，然后在另一个线程中减少计数器的值。运行这个测试，我们预期的计数器的结果是0，但是这并不能保证。大多数情况下都是0，然而，一些情况下，可能是-2，-1，1，2，甚至[-5，5]的任何数字。

为什么会发生这种情况呢？这是由于counter变量的增加和减少操作都不是原子操作――他们不是一次执行完毕的。他们都包括了多个步骤，而且两个步骤序列有交叠。你可以认为自增这样操作：

1.读取counter数值
2.增加1
3.将数值写入到counter中

同样的，自减操作：

1.读取counter数值
2.减少1
3.将数值写入到counter中

现在，我们考虑以下的执行序列：

1.第一个线程从内存中读取counter的值。其被初始化为0. 然后该线程将其自增.
2.第二个线程同时也从内存中读取counter的值，并且该值也为0. 然后该线程对其执行自减操作。
3.第一个进程将数值写入到内存中，即，counter的值为1.
4.第二个线程将数值写入到内存中，即，counter的值为-1.
5.第一个线程的更新被丢失。

怎么阻止该现象呢？

1. 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;
 }
}

2. 或者使用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();
 }

我的选择是使用AtomicInteger，因为同步方法只允许一个线程访问inc/dec/get方法，这带来了额外的性能开销。

使用同步方法时，我们并没有将counter设置为volatile变量。这是因为，使用synchronized关键词就建立了happens-before关系。进入一个同步方法（代码块），在该语句之前的代码和方法（代码块）中的代码建立了happens-before关系。浅谈Java内存模型之happens-before可以查看详细介绍。

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