【java】volital关键字为什么无法保证原子性和保证单条指令的可见性和原子性

水深无声 2023-09-26 11:31 89阅读 0赞

**我个人总结理解的三方面影响：**

简单举例说明，就不用看下面详细解释了：

i=0； A,B2个线程各i++ 50000次  
1.线程A 读到i=0时，A阻塞，B也读到i=0,进行i++ 写到主存，此时i=1，A继续执行进行i++，i=1写回主存。  
2.MESI协议中，AB线程同时进行修改i，此时裁决机制进行裁决设缓存A为M状态，缓存B为I状态，那么B线程修改无效，并且浪费一次，A进行i++把i=1写回主存。

![format_png][]

> 分别执行三次，每次结果各不相同：
> 
> 输出最后结果：93873
> 
> 输出最后结果：80319
> 
> 输出最后结果：95797

## 第一方面（无法保证多条指令原子性） ##

假设线程A首先读取到了i的0，进行+1操作，但是还没来得及更新，就阻塞了，这时线程B开始了，他也读取到i的值，由于i的值未被更新，即使是被volatile修饰，主存的变量还没变化，那么线程B得到的值也是0，之后对其进行加1操作，得到i=1后，将新值写入到缓存中，再刷入主存（此时主存i由0变为1）中。

此时如果A线程被唤醒，A线程将继续执行更新操作，写入到缓存中，再输入到主存中（此时主存i由1变为1），多次线程竞争阻塞导致多次浪费，所以达不到预期100000

总结来说：

i++操作是非原子操作，i++的过程分三步，首先获取i的值，其次对i的值进行加1，最后将得到的新值写会到缓存中。你说的emsi确实导致了缓存行失效，但是这三步如果已经进行了两步，第三步的时候如果其他线程更改了值，你察觉到了也没用，你已经读过赋过值了。

## 第二方面（可保证单条指令原子性和可见性） ##

因为volatile底层使用的是缓存一致性协议，会根据MESI原则。

MESI分别代表缓存行数据所处的四种状态，通过对这四种状态的切换，来达到对缓存数据进行管理的目的。

**M 修改 Modified :** 该缓存行有效，且该缓存行数据被修改了，和内存中的数据不一致，数据只存在于本缓存行中，此时状态为M ;

**E 独占 Exclusive :** 该缓存行有效，且该缓存行数据和内存中的数据一致，此时状态为E;

**S 共享 Shared :** 该缓存行有效，且该缓存行数据和内存中的数据一致，数据同时存在于其他缓存中（同步到主内存中完成后 , 标记为共享状态 ; 共享状态的变量才能被线程加载到工作内存中），此时状态为S ;

**I 失效 Invalid :** 该缓存行无效，线程 A , B 中都使用了同一个共享变量 , 如果在线程 A 中修改该变量 , 线程 B 中的变量更新前都标记为失效状态，此时A状态为M状态，B状态为I状态 ;

1、CPU1从内存中将变量i加载到缓存中，并将变量i的状态改为E（独享），并通过总线嗅探机制对内存中变量i的操作进行嗅探(因为有volatile关键字修饰，如果没有修饰则不会进行嗅探,**说明可见性**)

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2、此时，CPU2读取变量i，总线嗅探机制会将CPU1中的变量i的状态置为S（共享），并将变量i加载到CPU2的缓存中，状态为S

![format_png 2][]

3、CPU1对变量i进行修改操作，此时CPU1中的变量i会被置为M（修改）状态，而CPU2中的变量i会被通知，改为I（无效）状态，此时CPU2中的变量i做的任何修改都不会被写回内存中（高并发情况下可能出现两个CPU同时修改变量i，并同时向总线发出将各自的缓存行更改为M状态的情况，此时总线会采用相应的**裁决机制**进行裁决，将其中一个置为M状态，另一个置为I状态，且I状态的缓存行修改无效）

![format_png 3][]

4、CPU1将修改后的数据写回内存，并将变量i置为E（独占）状态

![format_png 4][]

5、此时，CPU2通过总线嗅探机制得知变量i已被修改，会重新去内存中加载变量i，同时CPU1和CPU2中的变量i都改为S状态!

![format_png 5][]

这就是完整的MESI流程，因为第3步中，高并发竞争总线会采用相应的**裁决机制**进行裁决，将其中一个置为M状态，另一个置为I状态，且I状态的缓存行修改无效，浪费一次i++，所以i也达不到100000。

## 第三方面（单条指令的内存模型保证单条数据的原子性） ##

Ø·在每个volatile**写操作的前面**插入一个**StoreStore**屏障。

Ø·在每个volatile**写操作的后面**插入一个**StoreLoad**屏障。

Ø·在每个**volatile读操作的\*\*\*\*后面**插入一个**LoadLoad**屏障。

Ø·在每个**volatile读操作的\*\*\*\*后面**插入一个**LoadStore**屏障。

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