java 中的 volatile 變量和 memory 屏障

Question

我有一個由鏈接節點組成的數據結構。 您可以將其視為一個簡單的 LinkedList。 列表的每個節點都包含一些值和指向另一個節點的下一個字段，如果它是最后一個節點，則為 null。 第一個節點作為根工作，它沒有任何值，它只指向下一個節點。 所有其他節點實際上是不可變的，即一旦它們被創建，它們的值和它們的下一個字段在生命周期內都不會改變，除非正在處理與特定情況相關的結構。

一個（只有一個）線程將新節點添加到列表的前面。 它是通過構造一個新的 object，設置它的字段並將下一個字段設置為根指向的 object，然后將根的下一個字段設置為這個新節點來完成的。

其他節點瀏覽僅執行讀取的結構。 他們有一個對根節點的引用，然后他們通過其他節點 go 直到他們找到正在尋找的內容或到達列表的末尾。

我的問題是：是否足以使下一個字段易變？ 根據我對 java memory model 的理解，如果主線程（添加新節點的那個）在添加新節點時將執行一個很好的易失性寫入，那么一切都不會發生。

還可以假設在 x86 架構上讀取 volatile 變量不會導致任何性能下降是正確的嗎？ 由於其他線程會經常瀏覽讀取下一個字段的結構，因此可以在沒有任何 memory 障礙等的情況下自由完成這一點很重要。

我還有一個擔憂。 將要瀏覽結構的線程也將持有一些額外的節點。 這些節點將完全是線程本地的，即它們將僅由創建它們的線程使用，並且根本不會被共享。 對於這些額外的節點，下一個字段沒有必要是易失的。 此外，設置易失性下一個字段將發出 memory 屏障，這將導致不良的性能損失。 我想知道有沒有辦法避免這種情況。 理想情況下，如果下一個字段有時作為易失字段工作，有時作為正常字段工作，那將是完美的；）或者如果我有完全控制權並且可以在我需要時自行發出 memory 屏障。

編輯：

我還想知道是否有可能以某種方式將所有這些寫入同步到不同的 volatile 變量上？ 例如其他一些完全不相關的 static 變量？ 由於 volatile 寫入會刷新所有掛起的寫入，難道下一個字段不是 volatile 而是在更新線程完成所有工作后寫入不同的 volatile 變量嗎？

對我來說它看起來不太安全，因為在關系之前沒有發生任何事情，並且之前的寫入可能會被重新排序。 下一個字段分配可以使用值字段分配重新排序，導致迭代線程觀察不一致的 object state。

但也許有可能想出這樣一個安全的方案？ 這個怎么樣：

更新線程首先構造一個新的 object，初始化其值字段，將其下一個字段設置為根節點指向的節點，對一些 static 變量執行易失性寫入，將根節點的下一個字段設置為新創建的節點

Answer 1

1.

根據你在這里說的

構造一個新的object，設置它的字段並將下一個字段設置為根指向的object，然后將根的下一個字段設置為這個新節點。

那么是的，將下一個字段設置為 volatile 將正確同步。 了解原因很重要。 您之前有三組寫入，一組寫入節點 object，一組寫入字段，一組寫入下一個節點（雖然不完全確定您為什么要這樣做，也許我錯過了一些理解）。

所以這是 2 +（N 個字段）寫入。 此時沒有happens-before關系，如果節點寫入正常，則無法保證。 一旦您寫入 volatile 字段，所有以前的寫入現在也將可見。

2.

x86（或任何緩存一致）操作系統上的易失性讀/寫具有以下屬性：

 volatile-read: very close to a normal read volatile-write: about 1/3 the time of a synchronization write (whether within intrinsic locking or juc.Lock locking)

3.

看起來您將不得不創建 VolatileNode 和 Node.js。 There was a proposal for Java 7 to come out with a Fences API which you can specify which style of reading/write you want to execute with a static utility class but doesn't look like its releasing

編輯：

Thkala 提出了一個很好的觀點，我覺得值得包括

盡管應該指出，pre-JSR133 JVM（即 Java < 5.0）沒有相同的語義

所以我寫的不適用於在 Java 1.4 或更低版本中運行的應用程序。

Answer 2

使next字段volatile將對節點 class 的所有實例施加 memory 屏障，而不僅僅是根節點。 我希望這比僅在根節點上使用synchronized更昂貴。 此外，JVM 可能能夠更好地優化synchronized方法調用。 另請參見this和this 。

也就是說，您可能應該同時嘗試基准測試/配置文件以查看會發生什么。

Answer 3

您的根節點實際上不需要是節點。 您只需要引用第一個“真實”節點。

public class LinkedList {
  private volatile Node firstNode;
  ...
  addNode(Node node) {
    node.next = firstNode;
    firstNode = node;
  }
}

因此，您不需要在所有節點中設置next字段 volatile； 節點根本不同步。 如果您不介意對第一個節點進行易失性訪問的成本，您可以將 class 用於非同步鏈表。 或者，您可以簡單地用非易失性firstNode重寫 class 以用於非同步版本。