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java.util.concurrent(JUC)的研究–》atomic原子操作–》happens-before法则

2016年10月15日 ⁄ 综合 ⁄ 共 2568字 ⁄ 字号 评论关闭

 

Java Concurrency in Practice中是这样定义线程安全的:

当多个线程访问一个类时,如果不用考虑这些线程在运行时环境下的调度和交替运行,并且不需要额外的同步及在调用方代码不必做其他的协调,这个类的行为仍然是正确的,那么这个类就是线程安全的。

显然只有资源竞争时才会导致线程不安全,因此无状态对象永远是线程安全的

原子操作的描述是: 多个线程执行一个操作时,其中任何一个线程要么完全执行完此操作,要么没有执行此操作的任何步骤,那么这个操作就是原子的。

 

Happens-before法则:

Java存储模型有一个happens-before原则,就是如果动作B要看到动作A的执行结果(无论A/B是否在同一个线程里面执行),那么A/B就需要满足happens-before关系。

在介绍happens-before法则之前介绍一个概念:JMM动作(Java Memeory Model Action),Java存储模型动作。一个动作(Action)包括:变量的读写、监视器加锁和释放锁、线程的start()和join()。后面还会提到锁的。

happens-before完整规则:

(1)同一个线程中的每个Action都happens-before于出现在其后的任何一个Action。

(2)对一个监视器的解锁happens-before于每一个后续对同一个监视器的加锁。

(3)对volatile字段的写入操作happens-before于每一个后续的同一个字段的读操作。

(4)Thread.start()的调用会happens-before于启动线程里面的动作。

(5)Thread中的所有动作都happens-before于其他线程检查到此线程结束或者Thread.join()中返回或者Thread.isAlive()==false。

(6)一个线程A调用另一个另一个线程B的interrupt()都happens-before于线程A发现B被A中断(B抛出异常或者A检测到B的isInterrupted()或者interrupted())。

(7)一个对象构造函数的结束happens-before与该对象的finalizer的开始

(8)如果A动作happens-before于B动作,而B动作happens-before与C动作,那么A动作happens-before于C动作。

volatile语义:

volatile相当于synchronized的弱实现,也就是说volatile实现了类似synchronized的语义,却又没有锁机制。它确保对volatile字段的更新以可预见的方式告知其他的线程。

Volatile 变量具有 synchronized 的可见性特性,但是不具备原子特性。这就是说线程能够自动发现 volatile 变量的最新值。Volatile 变量可用于提供线程安全,但是只能应用于非常有限的一组用例:多个变量之间或者某个变量的当前值与修改后值之间没有约束。因此,单独使用 volatile 还不足以实现计数器、互斥锁或任何具有与多个变量相关的不变式(Invariants)的类(例如 “start <=end”)。

出于简易性或可伸缩性的考虑,您可能倾向于使用 volatile 变量而不是锁。当使用 volatile 变量而非锁时,某些习惯用法(idiom)更加易于编码和阅读。此外,volatile 变量不会像锁那样造成线程阻塞,因此也很少造成可伸缩性问题。在某些情况下,如果读操作远远大于写操作,volatile 变量还可以提供优于锁的性能优势。

 

volatile包含以下语义:

(1)Java 存储模型不会对valatile指令的操作进行重排序:这个保证对volatile变量的操作时按照指令的出现顺序执行的。

(2)volatile变量不会被缓存在寄存器中(只有拥有线程可见)或者其他对CPU不可见的地方,每次总是从主存中读取volatile变量的结果。也就是说对于volatile变量的修改,其它线程总是可见的,并且不是使用自己线程栈内部的变量。也就是在happens-before法则中,对一个valatile变量的写操作后,其后的任何读操作理解可见此写操作的结果。

尽管volatile变量的特性不错,但是volatile并不能保证线程安全的,也就是说volatile字段的操作不是原子性的,volatile变量只能保证可见性(一个线程修改后其它线程能够理解看到此变化后的结果),要想保证原子性,目前为止只能加锁!

 

您只能在有限的一些情形下使用 volatile 变量替代锁。要使 volatile 变量提供理想的线程安全,必须同时满足下面两个条件:

  • 对变量的写操作不依赖于当前值。
  • 该变量没有包含在具有其他变量的不变式中。

实际上,这些条件表明,可以被写入 volatile 变量的这些有效值独立于任何程序的状态,包括变量的当前状态。

 

性能考虑:

使用 volatile 变量的主要原因是其简易性:在某些情形下,使用 volatile 变量要比使用相应的锁简单得多。使用 volatile 变量次要原因是其性能:某些情况下,volatile 变量同步机制的性能要优于锁。

很难做出准确、全面的评价,例如 “X 总是比 Y 快”,尤其是对 JVM 内在的操作而言。(例如,某些情况下 VM 也许能够完全删除锁机制,这使得我们难以抽象地比较
volatilesynchronized 的开销。)就是说,在目前大多数的处理器架构上,volatile 读操作开销非常低 —— 几乎和非 volatile 读操作一样。而 volatile 写操作的开销要比非 volatile 写操作多很多,因为要保证可见性需要实现内存界定(Memory Fence),即便如此,volatile 的总开销仍然要比锁获取低。

volatile 操作不会像锁一样造成阻塞,因此,在能够安全使用 volatile 的情况下,volatile 可以提供一些优于锁的可伸缩特性。如果读操作的次数要远远超过写操作,与锁相比,volatile 变量通常能够减少同步的性能开销。

 

参考资料:

       正确使用volatile变量

       http://www.blogjava.net/xylz/archive/2010/07/03/325168.html

 

 

 

 

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