JUC之volatile学习理解

淩亂°似流年 2021-11-06 00:12 341阅读 0赞

## 前言 ##

Java util Concurrent 简称JUC，是javaEE里面很重要的一个知识点，下面学习一下juc里的关键词volatile。

## Volatile的特点 ##

1、保证可见性  
2、不保证原子性  
3、禁止指令重排

## 一、保证可见性 ##

多线程并发编程时，程序的可见性是指，一个线程对资源进行变更后，立即写回主内存，并通知其他线程。

### 主内存和工作内存 ###

java在运行时，对象信息都是存储在主内存当中，每个线程要对对象信息进行操作时，将会在工作内存中创建主内存里对象信息的一个副本，然后对对象进行操作，操作完成后，再将对象信息写回主内存，每个线程获取到数据操作后，其他线程并不知道，需要保证属性的可见性，才能减少并发编程中出现一些问题。

举例说明：

class MyTestData {
        public int a = 0;
    
        public void addData() {
            a++;
        }
    }
    public class TestConcurrent {
        public static void main(String[] args) {
            MyTestData myTestData=new MyTestData();
            new Thread(()->{
                try {
                    Thread.sleep(3000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                myTestData.addData();
            }).start();
            while (myTestData.a==0){
    
            }
            System.out.println("end");
        }
    
    }

假如a不修饰为volatile，则在新起的线程里修改了变量a,但是主线程里的a并不会变化，还是等于0。因为新起线程的里，改变了a的值，并把a 写回了主内存，但是并没有通知其他线程进行更新，这样主线程里工作内存里的a 并不会变化。  
尝试修改为 `public volatile int a = 0;`  
则正常结束，应该主线程收到通知后，就去主内存中，重新获取了a 的值。

### 二、不保证原子性 ###

volatile在JUC中，只能算是一种轻型的同步，他比synchronize 更加轻量级，所以当我们只需要关系同步时的可见性时，那不需要使用synchronize关键词，只需要用更轻量级的volatile来修饰即可满足。但是volatile的轻量级，也是有缺陷的，因为它无法保证原子性。那么原子性又是个什么概念呢？  
在JUC中，原子性是指一段代码在执行的过程中，不会被其他线程打断，所谓的要么不开始，要开始就执行到结束。调整一下上面的例子。

class MyTestData {
        public volatile int a = 0;
    
        public void addData() {
            a++;
        }
    }
    public class TestConcurrent {
        public static void main(String[] args) {
            MyTestData myTestData=new MyTestData();
            for (int i = 0; i < 20; i++) {
                new Thread(()->{
                    for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                        myTestData.addData();
                    }
    
                }).start();
            }
    
            while (Thread.activeCount()>2){
    
            }
            System.out.println(myTestData.a);
        }
    
    }

在这里，我们起20个线程，每个线程循环1000遍a++，按理20\*1000=20000，但是结果a的值却不是2万。  
原因是因为a++这个操作，并不是一个原子操作，即便a 修饰了volatile 。  
a++这个操作，可以拆分成以下4段。  
1、从主内存中获取a ，并在工作内存中创建一个a的副本。  
2、执行运算a+1  
3、将a+1的结果赋值给工作内存中的a  
4、讲工作内存中的a,赋值给主内存中的a,（修饰了volatile,并通知其他线程a值被更新了）。  
那只要当前线程在取值后，到写入主内存之前，有其他线程已经将值写入了，那当前线程再写入主内存的时候，就会将其他线程的写入操作丢失了，这和数据库的事务操作很像。  
原因大概了解了，那么要如何解决这种原子性的问题呢。  
一种方法，就是使用synchronize关键词，或者使用ReentrantLock 来保证 a++操作的原子性。  
另一种方法是使用JUC当中新的类型，AtomicInteger，JUC中危java的几种基本类型，提供了线程安全的对象方法类。  
以下是解决的代码实现：

class MyTestData {
        public volatile AtomicInteger a =new AtomicInteger();
    
        public void addData() {
            a.getAndIncrement();
        }
    }
    public class TestConcurrent {
        public static void main(String[] args) {
            MyTestData myTestData=new MyTestData();
            for (int i = 0; i < 20; i++) {
                new Thread(()->{
                    for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                        myTestData.addData();
                    }
    
                }).start();
            }
    
            while (Thread.activeCount()>2){
    
            }
            System.out.println(myTestData.a);
        }
    
    }

AtomicInteger 的getAndIncrement 就相当于线程安全的a++，重新执行一下，得到结果为20000。

### 三、禁止指令重排 ###

指令重排是什么：一段代码要被执行，首先要被JVM编译成字节码，然后CPU再执行这些字节码，进行执行。  
那么在这个过程中，JVM编译，CPU执行，都会都代码的顺序进行调整。  
指令重排是为了在不改变执行结果的前提下，一种机器自我提高编译执行效率的方法。  
举个例子：  
int a=1; ——1  
int b=2; ——2  
int c=a+b;——3  
这是我们自己编写的代码，正常的执行顺序应该是1,2,3。  
但是实际上，1，2的执行顺序，并不影响后面的执行，所以指令重排的话，很有可能给你优化成2, 1, 3执行。  
指令重排，在单线程环境中时没有任何问题的，但是到了多线程的时候，优化的顺序可能会对其他线程造成影响，导致结果不一致。  
Volatile 是如何实现的呢，这里涉及到一个新的名词：内存屏障又称内存栅栏。  
内存屏障可以保证被volatile修饰的变量，在执行前面都不会被指令重排，并且保证变量的可见性。

### 小结 ###

以上是我看了volatile的一点自己的理解，如有不对，还请指出，大家共同学习，共同进步。