多线程（55）如何使用volatile来保证可见性和有序性

比眉伴天荒 2024-04-24 23:16 87阅读 0赞

在Java中，`volatile`关键字主要用于确保变量修改的可见性和操作的有序性。`volatile`提供了一种避免线程缓存变量副本的方式，确保每次访问变量时都从主内存中读取。

#### 如何保证可见性 ####

当一个字段被声明为`volatile`，JVM确保所有线程看到这个变量的值是一致的。即，当一个线程修改了这个变量的值，这个新值对于其他线程来说是立即可见的。这是通过在每次访问变量时不从线程的工作内存（本地内存）读取，而是直接从主内存读取，来实现的。

在底层，当CPU写入数据到一个被声明为`volatile`的变量时，会在写操作后插入一条内存屏障指令，这会使得所有缓存中的这个变量的副本失效，因此其他线程再访问这个变量时会直接从主内存中读取。

#### 如何保证有序性 ####

`volatile`还可以阻止JVM的指令重排序优化。指令重排序是一种提高执行效率的技术，但有时这种优化会导致在没有适当同步的多线程程序中出现问题。声明为`volatile`的变量，在写操作后和读操作前，JVM会插入特定类型的内存屏障指令来阻止特定类型的指令重排序，从而保证在`volatile`变量写操作之后的操作不会被重排序到写操作之前执行，保证了有序性。

#### 示例代码 ####

让我们通过一个简单的例子来演示`volatile`的可见性：

public class VolatileExample {
        
        // 使用volatile关键字声明布尔型变量
        private volatile boolean running = true;
    
        public void startRunning() {
        
            new Thread(() -> {
        
                while (running) {
        
                    // 某些操作
                }
                System.out.println("Thread is stopped.");
            }).start();
        }
    
        public void stopRunning() {
        
            running = false;
        }
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        
            VolatileExample example = new VolatileExample();
            example.startRunning();
    
            // 主线程休眠，确保上面的线程开始运行
            Thread.sleep(1000);
    
            // 修改running的值，使得上面的线程可以看到变化并停止运行
            example.stopRunning();
        }
    }

在这个例子中，`running`变量被声明为`volatile`。如果没有`volatile`修饰，线程内循环可能看不到`running`变量值的改变，因为这个变量值的变化可能只在主内存中，而线程可能会一直使用CPU缓存中的旧值。使用`volatile`关键字后，任何对`running`变量的写操作立即对其他线程可见，从而确保了可见性。

#### 源码层面解析 ####

在JVM层面，`volatile`的实现依赖于内存屏障（Memory Barriers）。内存屏障是一种CPU指令，用于防止特定类型的操作在屏障之前和之后重排序。Java内存模型（JMM）通过在`volatile`变量的读写操作前后插入不同类型的内存屏障来防止指令重排序。

*  写入`volatile`变量时，会在写操作后插入一个StoreStore屏障（确保在此之前的所有写操作完成）和一个StoreLoad屏障（防止后续任何读写操作提前发生）。
 *  读取`volatile`变量时，在读操作前插入一个LoadLoad屏障（确保后续读操作获取的是最新数据）和一个LoadStore屏障（确保读取操作不会和后续的写操作重排序）。

通过这种方式，`volatile`不仅保证了变量修改的可见性，还通过阻止指令重排保证了程序执行的有序性。

尽管`volatile`能够提供某种程度的线程安全，但它并不能解决所有并发问题。特别是，在涉及到多变量的复杂操作时，仍然需要使用更强大的同步机制（如`synchronized`或`java.util.concurrent`中的锁）来保证线程安全。