Java中Volatile關(guān)鍵字詳解及代碼示例

一、基本概念

先補充一下概念：Java內(nèi)存模型中的可見性、原子性和有序性。

可見性：

可見性是一種復(fù)雜的屬性，因為可見性中的錯誤總是會違背我們的直覺。通常，我們無法確保執(zhí)行讀操作的線程能適時地看到其他線程寫入的值，有時甚至是根本不可能的事情。為了確保多個線程之間對內(nèi)存寫入操作的可見性，必須使用同步機制。

可見性，是指線程之間的可見性，一個線程修改的狀態(tài)對另一個線程是可見的。也就是一個線程修改的結(jié)果。另一個線程馬上就能看到。比如：用volatile修飾的變量，就會具有可見性。volatile修飾的變量不允許線程內(nèi)部緩存和重排序，即直接修改內(nèi)存。所以對其他線程是可見的。但是這里需要注意一個問題，volatile只能讓被他修飾內(nèi)容具有可見性，但不能保證它具有原子性。比如volatileinta=0；之后有一個操作a++；這個變量a具有可見性，但是a++依然是一個非原子操作，也就是這個操作同樣存在線程安全問題。

在Java中volatile、synchronized和final實現(xiàn)可見性。

原子性：

原子是世界上的最小單位，具有不可分割性。比如a=0；（a非long和double類型）這個操作是不可分割的，那么我們說這個操作時原子操作。再比如：a++；這個操作實際是a=a+1；是可分割的，所以他不是一個原子操作。非原子操作都會存在線程安全問題，需要我們使用同步技術(shù)（sychronized）來讓它變成一個原子操作。一個操作是原子操作，那么我們稱它具有原子性。java的concurrent包下提供了一些原子類，我們可以通過閱讀API來了解這些原子類的用法。比如：AtomicInteger、AtomicLong、AtomicReference等。

在Java中synchronized和在lock、unlock中操作保證原子性。

有序性：

Java語言提供了volatile和synchronized兩個關(guān)鍵字來保證線程之間操作的有序性，volatile是因為其本身包含“禁止指令重排序”的語義，synchronized是由“一個變量在同一個時刻只允許一條線程對其進行l(wèi)ock操作”這條規(guī)則獲得的，此規(guī)則決定了持有同一個對象鎖的兩個同步塊只能串行執(zhí)行。

下面內(nèi)容摘錄自《JavaConcurrencyinPractice》：

下面一段代碼在多線程環(huán)境下，將存在問題。

+ View code
/**
 * @author zhengbinMac
 */
public class NoVisibility {
 private static boolean ready;
 private static int number;
 private static class ReaderThread extends Thread {
  @Override
  public void run() {
   while(!ready) {
    Thread.yield();
   }
   System.out.println(number);
  }
 }
 public static void main(String[] args) {
  new ReaderThread().start();
  number = 42;
  ready = true;
 }
}

　　NoVisibility可能會持續(xù)循環(huán)下去，因為讀線程可能永遠都看不到ready的值。甚至NoVisibility可能會輸出0，因為讀線程可能看到了寫入ready的值，但卻沒有看到之后寫入number的值，這種現(xiàn)象被稱為“重排序”。只要在某個線程中無法檢測到重排序情況（即使在其他線程中可以明顯地看到該線程中的重排序），那么就無法確保線程中的操作將按照程序中指定的順序來執(zhí)行。當主線程首先寫入number，然后在沒有同步的情況下寫入ready，那么讀線程看到的順序可能與寫入的順序完全相反。

　　在沒有同步的情況下，編譯器、處理器以及運行時等都可能對操作的執(zhí)行順序進行一些意想不到的調(diào)整。在缺乏足夠同步的多線程程序中，要想對內(nèi)存操作的執(zhí)行春旭進行判斷，無法得到正確的結(jié)論。

　　這個看上去像是一個失敗的設(shè)計，但卻能使JVM充分地利用現(xiàn)代多核處理器的強大性能。例如，在缺少同步的情況下，Java內(nèi)存模型允許編譯器對操作順序進行重排序，并將數(shù)值緩存在寄存器中。此外，它還允許CPU對操作順序進行重排序，并將數(shù)值緩存在處理器特定的緩存中。

二、Volatile原理

　　Java語言提供了一種稍弱的同步機制，即volatile變量，用來確保將變量的更新操作通知到其他線程。當把變量聲明為volatile類型后，編譯器與運行時都會注意到這個變量是共享的，因此不會將該變量上的操作與其他內(nèi)存操作一起重排序。volatile變量不會被緩存在寄存器或者對其他處理器不可見的地方，因此在讀取volatile類型的變量時總會返回最新寫入的值。

　　在訪問volatile變量時不會執(zhí)行加鎖操作，因此也就不會使執(zhí)行線程阻塞，因此volatile變量是一種比sychronized關(guān)鍵字更輕量級的同步機制。

　　當對非 volatile 變量進行讀寫的時候，每個線程先從內(nèi)存拷貝變量到CPU緩存中。如果計算機有多個CPU，每個線程可能在不同的CPU上被處理，這意味著每個線程可以拷貝到不同的 CPU cache 中。

　　而聲明變量是 volatile 的，JVM 保證了每次讀變量都從內(nèi)存中讀，跳過 CPU cache 這一步。

當一個變量定義為 volatile 之后，將具備兩種特性：

　　1.保證此變量對所有的線程的可見性，這里的“可見性”，如本文開頭所述，當一個線程修改了這個變量的值，volatile 保證了新值能立即同步到主內(nèi)存，以及每次使用前立即從主內(nèi)存刷新。但普通變量做不到這點，普通變量的值在線程間傳遞均需要通過主內(nèi)存（詳見：Java內(nèi)存模型）來完成。

　　2.禁止指令重排序優(yōu)化。有volatile修飾的變量，賦值后多執(zhí)行了一個“l(fā)oad addl $0x0, (%esp)”操作，這個操作相當于一個內(nèi)存屏障（指令重排序時不能把后面的指令重排序到內(nèi)存屏障之前的位置），只有一個CPU訪問內(nèi)存時，并不需要內(nèi)存屏障；（什么是指令重排序：是指CPU采用了允許將多條指令不按程序規(guī)定的順序分開發(fā)送給各相應(yīng)電路單元處理）。

volatile 性能：

　　volatile 的讀性能消耗與普通變量幾乎相同，但是寫操作稍慢，因為它需要在本地代碼中插入許多內(nèi)存屏障指令來保證處理器不發(fā)生亂序執(zhí)行。

volatile關(guān)鍵字代碼示例

volatile關(guān)鍵字的兩層語義

一旦一個共享變量（類的成員變量、類的靜態(tài)成員變量）被volatile修飾之后，那么就具備了兩層語義：

1）保證了不同線程對這個變量進行操作時的可見性，即一個線程修改了某個變量的值，這新值對其他線程來說是立即可見的。

2）禁止進行指令重排序。

先看一段代碼，假如線程1先執(zhí)行，線程2后執(zhí)行：

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

這段代碼是很典型的一段代碼，很多人在中斷線程時可能都會采用這種標記辦法。但是事實上，這段代碼會完全運行正確么？即一定會將線程中斷么？不一定，也許在大多數(shù)時候，這個代碼能夠把線程中斷，但是也有可能會導(dǎo)致無法中斷線程（雖然這個可能性很小，但是只要一旦發(fā)生這種情況就會造成死循環(huán)了）。

下面解釋一下這段代碼為何有可能導(dǎo)致無法中斷線程。在前面已經(jīng)解釋過，每個線程在運行過程中都有自己的工作內(nèi)存，那么線程1在運行的時候，會將stop變量的值拷貝一份放在自己的工作內(nèi)存當中。

那么當線程2更改了stop變量的值之后，但是還沒來得及寫入主存當中，線程2轉(zhuǎn)去做其他事情了，那么線程1由于不知道線程2對stop變量的更改，因此還會一直循環(huán)下去。

但是用volatile修飾之后就變得不一樣了：

第一：使用volatile關(guān)鍵字會強制將修改的值立即寫入主存；

第二：使用volatile關(guān)鍵字的話，當線程2進行修改時，會導(dǎo)致線程1的工作內(nèi)存中緩存變量stop的緩存行無效（反映到硬件層的話，就是CPU的L1或者L2緩存中對應(yīng)的緩存行無效）；

第三：由于線程1的工作內(nèi)存中緩存變量stop的緩存行無效，所以線程1再次讀取變量stop的值時會去主存讀取。

那么在線程2修改stop值時（當然這里包括2個操作，修改線程2工作內(nèi)存中的值，然后將修改后的值寫入內(nèi)存），會使得線程1的工作內(nèi)存中緩存變量stop的緩存行無效，然后線程1讀取時，發(fā)現(xiàn)自己的緩存行無效，它會等待緩存行對應(yīng)的主存地址被更新之后，然后去對應(yīng)的主存讀取最新的值。

那么線程1讀取到的就是最新的正確的值。

2.volatile保證原子性嗎？

從上面知道volatile關(guān)鍵字保證了操作的可見性，但是volatile能保證對變量的操作是原子性嗎？

下面看一個例子：

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) //保證前面的線程都執(zhí)行完
   Thread.yield();
  System.out.println(test.inc);
 }
}

大家想一下這段程序的輸出結(jié)果是多少？也許有些朋友認為是10000。但是事實上運行它會發(fā)現(xiàn)每次運行結(jié)果都不一致，都是一個小于10000的數(shù)字。

可能有的朋友就會有疑問，不對啊，上面是對變量inc進行自增操作，由于volatile保證了可見性，那么在每個線程中對inc自增完之后，在其他線程中都能看到修改后的值啊，所以有10個線程分別進行了1000次操作，那么最終inc的值應(yīng)該是1000*10=10000。

這里面就有一個誤區(qū)了，volatile關(guān)鍵字能保證可見性沒有錯，但是上面的程序錯在沒能保證原子性。可見性只能保證每次讀取的是最新的值，但是volatile沒辦法保證對變量的操作的原子性。

在前面已經(jīng)提到過，自增操作是不具備原子性的，它包括讀取變量的原始值、進行加1操作、寫入工作內(nèi)存。那么就是說自增操作的三個子操作可能會分割開執(zhí)行，就有可能導(dǎo)致下面這種情況出現(xiàn)：

假如某個時刻變量inc的值為10，

線程1對變量進行自增操作，線程1先讀取了變量inc的原始值，然后線程1被阻塞了；

然后線程2對變量進行自增操作，線程2也去讀取變量inc的原始值，由于線程1只是對變量inc進行讀取操作，而沒有對變量進行修改操作，所以不會導(dǎo)致線程2的工作內(nèi)存中緩存變量inc的緩存行無效，所以線程2會直接去主存讀取inc的值，發(fā)現(xiàn)inc的值時10，然后進行加1操作，并把11寫入工作內(nèi)存，最后寫入主存。

然后線程1接著進行加1操作，由于已經(jīng)讀取了inc的值，注意此時在線程1的工作內(nèi)存中inc的值仍然為10，所以線程1對inc進行加1操作后inc的值為11，然后將11寫入工作內(nèi)存，最后寫入主存。

那么兩個線程分別進行了一次自增操作后，inc只增加了1。

解釋到這里，可能有朋友會有疑問，不對啊，前面不是保證一個變量在修改volatile變量時，會讓緩存行無效嗎？然后其他線程去讀就會讀到新的值，對，這個沒錯。這個就是上面的happens-before規(guī)則中的volatile變量規(guī)則，但是要注意，線程1對變量進行讀取操作之后，被阻塞了的話，并沒有對inc值進行修改。然后雖然volatile能保證線程2對變量inc的值讀取是從內(nèi)存中讀取的，但是線程1沒有進行修改，所以線程2根本就不會看到修改的值。

根源就在這里，自增操作不是原子性操作，而且volatile也無法保證對變量的任何操作都是原子性的。

把上面的代碼改成以下任何一種都可以達到效果：

采用synchronized：

public class Test {
 public int inc = 0;
 
 public synchronized 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) //保證前面的線程都執(zhí)行完
   Thread.yield();
  System.out.println(test.inc);
 }
}

采用Lock：

public class Test {
 public int inc = 0;
 Lock lock = new ReentrantLock();
 
 public void increase() {
  lock.lock();
  try {
   inc++;
  } finally{
   lock.unlock();
  }
 }
 
 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) //保證前面的線程都執(zhí)行完
   Thread.yield();
  System.out.println(test.inc);
 }
}

采用AtomicInteger：

public class Test {
 public AtomicInteger inc = new AtomicInteger();
 
 public void increase() {
  inc.getAndIncrement();
 }
 
 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) //保證前面的線程都執(zhí)行完
   Thread.yield();
  System.out.println(test.inc);
 }
}

總結(jié)

以上就是本文關(guān)于Java中Volatile關(guān)鍵字詳解及代碼示例的全部內(nèi)容，希望對大家有所幫助。感興趣的朋友可以繼續(xù)參閱本站：

淺談Java編程中的synthetic關(guān)鍵字

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