volatile对所有线程可见

傷城~ 2022-11-16 01:28 49阅读 0赞

Java中synchronized关键字可以保证变量的同步，Java还有一个稍弱的同步机制，即volatile变量。volatile用户确保将变量的更新操作同步通知到其它线程。

volatile变量具备两种特性：一种是保证该变量对所有线程可见，在一个线程修改了变量的值后，新的值对于其它线程时可以立即获取的；一种是volatile禁止指令重排，即volatile变量不会被缓存在寄存器或者其它处理器不可见的地方，因此在读取volatile类型的变量时总会返回最新写入的值。

## 对所有线程可见 ##

因为在访问volatile变脸时不会执行加锁操作，也就不会执行线程阻塞，因此，volatile变量是一种比synchronized关键字更轻量级的同步机制。volatile主要适用于一个变量被多个线程共享，多个线程均可针对这个变量执行赋值或者读取的操作。

在有多个线程对普通变量进行读取时，每个线程都首先须要将数据从内存中复制变量到CPU缓存中，如果计算机有个多CPU，则线程可能都在不同的CPU中被处理，这意味着每个线程都须要将同一个数据复制到不同的CPU cache中，这样每个线程都针对同一个变量的数据做了不同的处理后就可能存在数据不一致的情况。多线程对普通变量读写流程见下图

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L21hZ2kxMjAx_size_16_color_FFFFFF_t_70][] 多线程对普通变量读取流程

如果将变量声明为volatile，JVM就能保证每次读取变量时都直接从内存中读取，跳过CPU Cache 这一步，有效解决了多线程数据同步的问题。多线程多volatile修饰变量读取流程见下图

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L21hZ2kxMjAx_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][] 多线程对volatile修饰变量读取流程

图中可以看到，变量被volatile修饰后，线程到自己对应的CPU cache的线没有了，每次线程操作变量数据的时候，都直接从主内存中取数操作。

须要说明的是，volatile关键字可以严格保障变量的单次读、写操作的原子性，但是不能保证像i++这种操作的原子性，因为i++在本质上是读、写两次操作。volatile在某些场景下可以代替synchronized，但是volatile不能完全取代synchronized的位置，只有在一些特殊场景下才适合使用volatile。比如，必须同时满足两个条件才能保证并发环境的线程安全

*  对变量的写操作不依赖于当前值(比如i++)，或者说是单纯的变量赋值（boolean flag = true）
 *  该变量没有被包含在具有其他变量的不变式中，也就是说在不同的volatile变量之间不能互相依赖，只有在状态真正独立于程序内的其他内容时才能使用volatile。

### 代码示例 ###

如下代码：定义一个int变量race，使用volatile关键字修饰；定义静态方法increase对rece做++操作；启动20个线程，并发调用increase方法，每个线程调动increase方法1000次；所有线程执行结束，打印变量race值。

public class VolatileMain {
    
    	public static volatile int race = 0;
    	
    	public static void increase() {
    		race++;
    	}
    	
    	public static void main(String[] args) {
    		Thread[] threads = new Thread[20];
    		for (int i=0; i<20; i++) {
    			threads[i] = new Thread(new Runnable() {
    
    				@Override
    				public void run() {
    					for (int i=0; i<1000; i++) {
    						increase();
    					}
    				}
    				
    			});
    			threads[i].start();
    		}
    		
    		// 所有线程累加结束
    		while (Thread.activeCount() > 1) {
    			Thread.yield();
    		}
    		
    		System.out.println(race);
    	}
    }

按照代码字面理解，20个线程，每个线程循环调用1000次，最终race值应该为20\*1000 = 20000。实际调用中，很难得到20000的结果，结果大多数时候都比20000小。执行多次，结果通常分布在18xxx 和 19xxx 范围，小的时候有14xxx ，为何结果值会小于20000。

究其原因，因为race++操作，不是原子性的。在Java中，对基本数据类型的变量的读取和赋值操作是原子性操作，即这些操作是不可被中断的，要么执行，要么不执行。

查看如下四行代码

int x = 10;
    		int y = x;
    		x = x + 1;
    		x++;

第一行，定义变量x 值为10，这一行定义是原子性，直接定义x并给其赋值10，写入内存中；第二行到第四行均为非原子操作，其中y = x 须先从内存中读取x 的值，再将对应的值赋给y 写入内存中，有一个读、一个写，一共两个操作；第三行和第四行均为先读、再加、再写三个操作，非原子操作。

这样，就解释了为何上面的race结果总小于20000。

## ##

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L21hZ2kxMjAx_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20221022/668cf596110d4f07b70401346aa22db9.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L21hZ2kxMjAx_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: /images/20221022/2f9ea74c19b04da89065305041c8473b.png