JavaSE 详解volatile关键字

冷不防 2022-06-14 12:19 222阅读 0赞

## **volatile特性** ##

(1)内存可见性：通俗来说就是，线程A对一个volatile变量的修改，对于其它线程来说是可见的，即线程每次获取volatile变量的值都是最新的。

(2)有序性:禁止进行指令重排序。

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## **如何保证内存可见性？** ##

在java虚拟机的内存模型中，有主内存和工作内存的概念，Java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存中。每条线程中还有自己的工作内存，线程的工作内存中保存了被该线程所使用到的变量（这些变量是从主内存中拷贝而来）。线程对变量的所有操作（读取，赋值）都必须在工作内存中进行。不同线程之间也无法直接访问对方工作内存中的变量，线程间变量值的传递均需要通过主内存来完成。下面看看操作普通变量和volatile变量有什么不同：  
![这里写图片描述][SouthEast]  
1、对于普通变量：读操作会优先读取工作内存的数据，如果工作内存中不存在，则从主内存中拷贝一份数据到工作内存中；写操作只会修改工作内存的副本数据，这种情况下，其它线程就无法读取变量的最新值。

2、对于volatile变量，读操作时JMM(Java Memory Model)会把工作内存中对应的值设为无效，要求线程从主内存中读取数据；写操作时JMM会把工作内存中对应的数据刷新到主内存中，这种情况下，其它线程就可以读取变量的最新值。

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## **如何保证内存有序性？** ##

**首先什么事有序性？**  
举个简单的例子，看下面这段代码：

int i = 0;              
    
    boolean flag = false;
    
    i = 1;                //语句1 
    flag = true;          //语句2

上面代码定义了一个int型变量，定义了一个boolean类型变量，然后分别对两个变量进行赋值操作。从代码顺序上看，语句1是在语句2前面的，那么JVM在真正执行这段代码的时候会保证语句1一定会在语句2前面执行吗？不一定，为什么呢？这里可能会发生指令重排序（Instruction Reorder）。  
　下面解释一下什么是指令重排序，一般来说，处理器为了提高程序运行效率，可能会对输入代码进行优化，它不保证程序中各个语句的执行先后顺序同代码中的顺序一致，但是它会保证程序最终执行结果和代码顺序执行的结果是一致的。  
　比如上面的代码中，语句1和语句2谁先执行对最终的程序结果并没有影响，那么就有可能在执行过程中，语句2先执行而语句1后执行。

**volatile关键字禁止指令重排序有两层意思：**

1）当程序执行到volatile变量的读操作或者写操作时，在其前面的操作的更改肯定全部已经进行，且结果已经对后面的操作可见；在其后面的操作肯定还没有进行；

2）在进行指令优化时，不能将在对volatile变量的读操作或者写操作的语句放在其后面执行，也不能把volatile变量后面的语句放到其前面执行。

可能上面说的比较绕，举个简单的例子：

//x、y为非volatile变量
    //flag为volatile变量
    
    int x = 2;        //语句1
    int y = 0;        //语句2
    volatile flag = true;  //语句3
    int x = 4;         //语句4
    int y = -1;       //语句5

由于flag变量为volatile变量，那么在进行指令重排序的过程的时候，不会将语句3放到语句1、语句2前面，也不会讲语句3放到语句4、语句5后面。但是要注意语句1和语句2的顺序、语句4和语句5的顺序是不作任何保证的。

并且volatile关键字能保证，执行到语句3时，语句1和语句2必定是执行完毕了的，且语句1和语句2的执行结果对语句3、语句4、语句5是可见的。

那么我们再举一个例子：

//线程1:
    context = loadContext();   //语句1
    inited = true;             //语句2
    
    //线程2:
    while(!inited ){
      sleep()
    }
    doSomethingwithconfig(context);

前面举这个例子的时候，提到有可能语句2会在语句1之前执行，那么久可能导致context还没被初始化，而线程2中就使用未初始化的context去进行操作，导致程序出错。

这里如果用volatile关键字对inited变量进行修饰，就不会出现这种问题了，因为当执行到语句2时，必定能保证context已经初始化完毕。

其背后的原理是，Lock前缀指令实际上相当于一个内存屏障（也成内存栅栏），它确保指令重排序时不会把其后面的指令排到内存屏障之前的位置，也不会把前面的指令排到内存屏障的后面；即在执行到内存屏障这句指令时，在它前面的操作已经全部完成。

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## **volatile的使用场景** ##

通过关键字sychronize可以防止多个线程进入同一段代码，在某些特定场景中，volatile相当于一个轻量级的sychronize，因为不会引起线程的上下文切换，但是使用volatile必须满足两个条件：  
1、对变量的写操作不依赖当前值，如多线程下执行a++，是无法通过volatile保证结果准确性的；  
2、该变量没有包含在具有其它变量的不变式中，这句话有点拗口，看代码比较直观。

public class NumberRange {
        private volatile int lower = 0;
         private volatile int upper = 10;
    
        public int getLower() { return lower; }
        public int getUpper() { return upper; }
    
        public void setLower(int value) { 
            if (value > upper) 
                throw new IllegalArgumentException(...);
            lower = value;
        }
    
        public void setUpper(int value) { 
            if (value < lower) 
                throw new IllegalArgumentException(...);
            upper = value;
        }
    }

上述代码中，上下界初始化分别为0和10，假设线程A和B在某一时刻同时执行了setLower(8)和setUpper(5)，且都通过了不变式的检查，设置了一个无效范围（8, 5），所以在这种场景下，需要通过sychronize保证方法setLower和setUpper在每一时刻只有一个线程能够执行。

1、状态标记量

//线程1
    boolean stop = false;
    while(!stop){
        doSomething();
    }
    
    //线程2
    stop = true;

这段代码是很典型的一段代码，很多人在中断线程时可能都会采用这种标记办法。但是事实上，这段代码会完全运行正确么？即一定会将线程中断么？不一定，也许在大多数时候，这个代码能够把线程中断，但是也有可能会导致无法中断线程（虽然这个可能性很小，但是只要一旦发生这种情况就会造成死循环了）。

下面解释一下这段代码为何有可能导致无法中断线程。在前面已经解释过，每个线程在运行过程中都有自己的工作内存，那么线程1在运行的时候，会将stop变量的值拷贝一份放在自己的工作内存当中。

那么当线程2更改了stop变量的值之后，但是还没来得及写入主存当中，线程2转去做其他事情了，那么线程1由于不知道线程2对stop变量的更改，因此还会一直循环下去。

但是用volatile修饰之后就变得不一样了：

第一：使用volatile关键字会强制将修改的值立即写入主存；

第二：使用volatile关键字的话，当线程2进行修改时，会导致线程1的工作内存中缓存变量stop的缓存行无效（反映到硬件层的话，就是CPU的L1或者L2缓存中对应的缓存行无效）；

第三：由于线程1的工作内存中缓存变量stop的缓存行无效，所以线程1再次读取变量stop的值时会去主存读取。

那么在线程2修改stop值时（当然这里包括2个操作，修改线程2工作内存中的值，然后将修改后的值写入内存），会使得线程1的工作内存中缓存变量stop的缓存行无效，然后线程1读取时，发现自己的缓存行无效，它会等待缓存行对应的主存地址被更新之后，然后去对应的主存读取最新的值。

那么线程1读取到的就是最新的正确的值。

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## **volatile不能确保原子性** ##

下面看一个例子：

public class Test {
        public volatile int inc = 0;
    
        public void increase() {
            inc++;
        }
    
        public static void main(String[] args) {
            final Test test = new Test();
            for(int i=0;i<10;i++){
                new Thread(){
                    public void run() {
                        for(int j=0;j<1000;j++)
                            test.increase();
                    };
                }.start();
            }
    
            while(Thread.activeCount()>1)  //保证前面的线程都执行完
                Thread.yield();
            System.out.println(test.inc);
        }
    }

大家想一下这段程序的输出结果是多少？也许有些朋友认为是10000。但是事实上运行它会发现每次运行结果都不一致，都是一个小于10000的数字。

可能有的朋友就会有疑问，不对啊，上面是对变量inc进行自增操作，由于volatile保证了可见性，那么在每个线程中对inc自增完之后，在其他线程中都能看到修改后的值啊，所以有10个线程分别进行了1000次操作，那么最终inc的值应该是1000\*10=10000。

这里面就有一个误区了，volatile关键字能保证可见性没有错，但是上面的程序错在没能保证原子性。可见性只能保证每次读取的是最新的值，但是volatile没办法保证对变量的操作的原子性。

inc++; 这条语句由3条指令组成：  
（1）将 inc 的值从内存加载到 cpu 的某个寄存器r  
（2）将 寄存器r 的值 +1，结果存放在 寄存器s  
（3）将 寄存器s 中的值写回内存

所以，如果有多个线程同时在执行 inc++;，在某个线程执行完第（3）步之前，其它线程是看不到它的执行结果的。

在前面已经提到过，自增操作是不具备原子性的，它包括读取变量的原始值、进行加1操作、写入工作内存。那么就是说自增操作的三个子操作可能会分割开执行，就有可能导致下面这种情况出现：

假如某个时刻变量inc的值为10，

线程1对变量进行自增操作，线程1先读取了变量inc的原始值，然后线程1被阻塞了；

然后线程2对变量进行自增操作，线程2也去读取变量inc的原始值，由于线程1只是对变量inc进行读取操作，而没有对变量进行修改操作，所以不会导致线程2的工作内存中缓存变量inc的缓存行无效，也不会导致主存中的值刷新，所以线程2会直接去主存读取inc的值，发现inc的值时10，然后进行加1操作，并把11写入工作内存，最后写入主存。

然后线程1接着进行加1操作，由于已经读取了inc的值，注意此时在线程1的工作内存中inc的值仍然为10，所以线程1对inc进行加1操作后inc的值为11，然后将11写入工作内存，最后写入主存。

那么两个线程分别进行了一次自增操作后，inc只增加了1。

根源就在这里，自增操作不是原子性操作，而且volatile也无法保证对变量的任何操作都是原子性的。

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