Java 關(guān)鍵字 volatile 的理解與正確使用

概述

Java語(yǔ)言中關(guān)鍵字 volatile 被稱作輕量級(jí)的 synchronized，與synchronized相比，volatile編碼相對(duì)簡(jiǎn)單且運(yùn)行的時(shí)的開(kāi)銷(xiāo)較少，但能夠正確合理的應(yīng)用好 volatile 并不是那么的容易，因?yàn)樗仁褂面i更容易出錯(cuò)，接下來(lái)本文主要介紹 volatile 的使用準(zhǔn)則，以及使用過(guò)程中需注意的地方。

為何使用volatile？

（1）簡(jiǎn)易性：在某些需要同步的場(chǎng)景下使用volatile變量要比使用鎖更加簡(jiǎn)單

（2）性能：在某些情況下使用volatile同步機(jī)制的性能要優(yōu)于鎖

（3）volatile操作不會(huì)像鎖一樣容易造成阻塞

volatile特性

（1）volatile 變量具有 synchronized 的可見(jiàn)性特性，及如果一個(gè)字段被聲明為volatile，java線程內(nèi)存模型確保所有的線程看到這個(gè)變量的值是一致的

（2）禁止進(jìn)行指令重排序

（3）不保證原子性

注：

① 重排序：重排序通常是編譯器或運(yùn)行時(shí)環(huán)境為了優(yōu)化程序性能而采取的對(duì)指令進(jìn)行重新排序執(zhí)行的一種手段

② 原子性：不可中斷的一個(gè)或一系列操作

③ 可見(jiàn)性：鎖提供了兩種主要特性：互斥和可見(jiàn)性，互斥即一次只允許一個(gè)線程持有某個(gè)特定的鎖，因此可使用該特性實(shí)現(xiàn)對(duì)共享數(shù)據(jù)的協(xié)調(diào)訪問(wèn)協(xié)議，這樣，一次就只有一個(gè)線程能夠使用該共享數(shù)據(jù)?？梢?jiàn)性要更加復(fù)雜一些，它必須確保釋放鎖之前對(duì)共享數(shù)據(jù)做出的更改對(duì)于隨后獲得該鎖的另一個(gè)線程是可見(jiàn)的。

volatile的實(shí)現(xiàn)原理

如果對(duì)聲明了volatile的變量進(jìn)行寫(xiě)操作，JVM就會(huì)向處理器發(fā)送一條Lock前綴的指令，該Lock指令會(huì)使這個(gè)變量所在緩存行的數(shù)據(jù)回寫(xiě)到系統(tǒng)內(nèi)存，根據(jù)緩存一致性協(xié)議，每個(gè)處理器都會(huì)通過(guò)嗅探在總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)來(lái)檢查自己緩存的值是否已過(guò)期，當(dāng)處理器發(fā)現(xiàn)自己的緩存行對(duì)應(yīng)的地址被修改，就會(huì)將當(dāng)前處理器的緩存行設(shè)置成無(wú)效狀態(tài)，在下次訪問(wèn)相同內(nèi)存地址時(shí)，強(qiáng)制執(zhí)行緩存行填充。

正確使用volatile的場(chǎng)景

volatile 主要用來(lái)解決多線程環(huán)境中內(nèi)存不可見(jiàn)問(wèn)題。對(duì)于一寫(xiě)多讀，是可以解決變量同步問(wèn)題，但是如果多寫(xiě)，就無(wú)法解決線程安全問(wèn)題。如：

1、不適合使用volatile的場(chǎng)景（非原子性操作）

（1）反例

​private static volatile int nextSerialNum = 0;
public static long generateSerialNum() {
  return nextSerialNum++;
}

這個(gè)方法的目的是要確保每次調(diào)用都返回不同的自增值，然而結(jié)果并不理想，問(wèn)題在于增量操作符（++）不是原子操作，實(shí)際上它是一個(gè)由讀?。薷模瓕?xiě)入操作序列組成的組合操作，如果第二個(gè)線程在第一個(gè)線程讀取舊值和寫(xiě)回新值期間讀取這個(gè)域，第二個(gè)線程與第一個(gè)線程就會(huì)讀取到同一個(gè)值。

（2）正例

其實(shí)面對(duì)上面的反例場(chǎng)景可以使用JDK1.5 java.util.concurrent.atomic中提供的原子包裝類(lèi)型來(lái)保證原子性操作

private static AtomicInteger nextSerialNum = new AtomicInteger(0);
public static long generateSerialNum() {
  return nextSerialNum.getAndIncrement();
}

2、適合使用volatile的場(chǎng)景

在日常工作當(dāng)中volatile大多被在狀態(tài)標(biāo)志的場(chǎng)景當(dāng)中，如：

要通過(guò)一個(gè)線程來(lái)終止另外一個(gè)線程的場(chǎng)景

（1）反例

private static boolean stopThread;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
  Thread th = new Thread(new Runnable() {
   @Override
   public void run() {
     int i = 0;
     while (!stopThread) {
      i++;
     }
   }
  });
  th.start();
  TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
  stopThread = true;
}

運(yùn)行后發(fā)現(xiàn)該程序根本無(wú)法終止循環(huán)，原因是，java語(yǔ)言規(guī)范并不保證一個(gè)線程寫(xiě)入的值對(duì)另外一個(gè)線程是可見(jiàn)的，所以即使主線程main函數(shù)修改了共享變量stopThread狀態(tài)，但是對(duì)th線程并不可見(jiàn)，最終導(dǎo)致循環(huán)無(wú)法終止。

（2）正例

private static volatile boolean stopThread;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
  Thread th = new Thread(new Runnable() {
   @Override
   public void run() {
     int i = 0;
     while (!stopThread) {
      i++;
     }
   }
  });
  th.start();
  TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
  stopThread = true;
}

通過(guò)使用關(guān)鍵字volatile修飾共享變量stopThread，根據(jù)volatile的可見(jiàn)性原則可以保證主線程main函數(shù)修改了共享變量stopThread狀態(tài)后對(duì)線程th來(lái)說(shuō)是立即可見(jiàn)的，所以在兩秒內(nèi)線程th將停止循環(huán)。

總結(jié)

本文通過(guò)對(duì)volatile的特性介紹，以及volatile的實(shí)現(xiàn)原理，最后結(jié)合volatile的特性舉例說(shuō)明它在使用過(guò)程中應(yīng)該注意的使用規(guī)則，好了，希望本文對(duì)您有所幫助！