Volatile关键字的详解，JMM内存模型的可见性，禁止指令重排，内存屏障等

以你之姓@ 2023-01-01 14:54 118阅读 0赞

首先Volatile在日常的单线程环境是应用不到的， Volatile 是Java虚拟机提供的`轻量级`的同步机制，有三个特性

*  保证可见性
 *  不保证原子性
 *  禁止指令重排

首先我们看下 JMM java内存模型图 ，JMM是一种抽象的概念，实际上并不存在

由于JVM运行程序的实体是线程，而每个线程创建时JVM都会为其创建一个工作内存（有些地方称为栈空间），工作内存是每个线程的私有数据区域，而Java内存模型中规定所有变量都存储在主内存，主内存是共享内存区域，所有线程都可以访问，`但线程对变量的操作（读取赋值等）必须在工作内存中进行，首先要将变量从主内存拷贝到自己的工作内存空间，然后对变量进行操作，操作完成后再将变量写会主内存`，不能直接操作主内存中的变量，各个线程中的工作内存中存储着主内存中的变量副本拷贝，因此不同的线程间无法访问对方的工作内存，线程间的通信（传值）必须通过主内存来完成，其简要访问过程：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2h1cWlhbmt1bmxvbA_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

每一个工程线程都会拷贝一份工作变量到自己的工作内存中，且这个变量不会被其他工作线程访问，工作线程操作完变量又会写入主内存，此时其他线程是可以感知主内存中共享变量的变化，接下来我们测试一下**可见性**的代码验证

import java.util.concurrent.TimeUnit;
    
    /**
     * 假设是主物理内存
     */
    class MyData {
    
        int number = 0;
    
        public void addTo2() {
            this.number = 2;
        }
    }
    
    /**
     * 验证volatile的可见性
     * 1. 假设int number = 0， number变量之前没有添加volatile关键字修饰
     */
    
    public class VolatileTest {
    
        public static void main(String args []) {
    
            // 资源类
            MyData myData = new MyData();
    
            // AAA线程 实现了Runnable接口的，lambda表达式
            new Thread(() -> {
    
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "线程\t come in");
    
                // 线程睡眠3秒，假设在进行运算
                try {
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                // 修改number的值
                myData.addTo2();
    
                // 输出修改后的值
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "线程\t 更新后 number value:" + myData.number);
    
            }, "AAA").start();
    
            while(myData.number == 0) {
                // main线程就一直在这里等待循环，直到number的值不等于零
            }
    
            // 按道理这个值是不可能打印出来的，因为主线程运行的时候，number的值为0，所以一直在循环
            // 如果能输出这句话，说明AAA线程在睡眠3秒后，更新的number的值，重新写入到主内存，并被main线程感知到了
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "线程\t 程序结束");
        }
    
    }

**这里不加 volatile 关键字程序无法退出，说明main线程无法感知主内存中 number 值的变化， 加了volatile 关键字，程序正常退出，说明volatile修饰的变量，是具备JVM轻量级同步机制的，能够感知其它线程的修改后的值。**

不保证原子性是指多线程环境中，某一个线程操作完共享变量还未刷新到主内存中，其他线程已经操作完共享变量写入主内存中，就会造成原子性问题，不保证原子性验证，代码演示

/**
     * 假设是主物理内存
     */
    class MyData {
    
        volatile int number = 0;
    
        public  void add1() {
           number ++;
        }
    
    }
    
    /**
     *  验证volatile的不保证原子性
     * 1. number变量添加volatile关键字修饰 add1方法不添加 synchronized 关键字
     */
    public class VolatileTest {
    
        public static void main(String args []) {
    
            MyData myData = new MyData();
    
            // 创建20个线程，线程里面进行1000次循环 如果太少的话，结果可能有误，尽量多设一些
            for (int i = 0; i < 20; i++) {
                new Thread(() -> {
                    for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                        myData.add1();
                    }
                }, String.valueOf(i)).start();
            }
    
            // 需要等待上面20个线程都计算完成后，在用main线程取得最终的结果值
            // 这里判断线程数是否大于2，为什么是2？因为默认是有两个线程的，一个main线程，一个gc线程，或者等待10秒，再打印最终值
            while(Thread.activeCount() > 2) {
                // yield表示不执行
                Thread.yield();
            }
    
            System.out.println("最终值："+myData.number);
    
        }
    }

添加了 volatile 关键字后，多次运行mian方法，这里最终值输出的可能不是 20000 ，如果在添加的方法上加了  synchronized 关键字，打印的最终结果就是 20000

**指令重排，**多线程环境中线程交替执行，由于编译器优化重排的存在，两个线程中使用的变量能否保证一致性是无法确定的，结果无法预测

public void mySort() {
    	int x = 11;
    	int y = 12;
    	x = x + 5;
    	y = x * x;
    }

单线程下执行顺序是 1 2 3 4，多线程下，顺序可能是： 2 1 3 4 ，1 3 2 4 ，但是不可能是，  4 3 2 1 或者 3 1 2 4 ，**因为必须现有 X 才有 X + 5 ，先有爸爸再有儿子**

volatile 规定禁止指令重排，为了保证数据的一致性，从而避免了多线程环境下程序出现乱序执行的现象

**内存屏障**（Memory Barrier）又称内存栅栏，是一个CPU指令，它的作用有两个：

*  保证特定操作的顺序
 *  保证某些变量的内存可见性（利用该特性实现volatile的内存可见性）

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> 本文学习类容来自尚硅谷周扬老师，[B站直达][B]

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[B]: https://www.bilibili.com/video/BV18b411M7xz?p=9