volatile關(guān)鍵字怎么在Java中使用

這篇文章給大家介紹volatile關(guān)鍵字怎么在Java中使用，內(nèi)容非常詳細(xì)，感興趣的小伙伴們可以參考借鑒，希望對(duì)大家能有所幫助。

volatile是什么

volatile關(guān)鍵字是Java提供的一種輕量級(jí)同步機(jī)制。它能夠保證可見性和有序性，但是不能保證原子性

可見性

對(duì)于volatile的可見性，先看看這段代碼的執(zhí)行

flag默認(rèn)為true 創(chuàng)建一個(gè)線程A去判斷flag是否為true，如果為true循環(huán)執(zhí)行i++操作兩秒后，創(chuàng)建另一個(gè)線程B將flag修改為false 線程A沒有感知到flag已經(jīng)被修改成false了，不能跳出循環(huán)

這相當(dāng)于啥呢？相當(dāng)于你的女神和你說，你好好努力，年薪百萬了就嫁給你，你聽了之后，努力賺錢。3年之后，你年薪百萬了，回去找你女神，結(jié)果發(fā)現(xiàn)你女神結(jié)婚了，她結(jié)婚的消息根本沒有告訴你！難不難受？

女神結(jié)婚可以不告訴你，可是Java代碼中的屬性都是存在內(nèi)存中，一個(gè)線程的修改為什么另一個(gè)線程為什么不可見呢？這就不得不提到Java中的內(nèi)存模型了，Java中的內(nèi)存模型，簡(jiǎn)稱JMM，JMM定義了線程和主內(nèi)存之間的抽象關(guān)系，定義了線程之間的共享變量存儲(chǔ)在主內(nèi)存中，每個(gè)線程都有一個(gè)私有的本地內(nèi)存，本地內(nèi)存中存儲(chǔ)了該線程以讀/寫共享變量的副本，它涵蓋了緩存、寫緩沖區(qū)、寄存器以及其他的硬件和編譯器優(yōu)化。

注意！JMM是一個(gè)屏蔽了不同操作系統(tǒng)架構(gòu)的差異的抽象概念，只是一組Java規(guī)范。

了解了JMM，現(xiàn)在我們?cè)倩仡櫼幌挛恼麻_頭的那段代碼，為什么線程B修改了flag線程A看到的還是原來的值呢？

因?yàn)榫€程A復(fù)制了一份剛開始的flage=true到本地內(nèi)存，之后線程A使用的flag都是這個(gè)復(fù)制到本地內(nèi)存的flag。線程B修改了flag之后，將flag的值刷新到主內(nèi)存，此時(shí)主內(nèi)存的flag值變成了false。線程A是不知道線程B修改了flag，一直用的是本地內(nèi)存的flag = true。

那么，如何才能讓線程A知道flag被修改了呢？或者說怎么讓線程A本地內(nèi)存中緩存的flag無效，實(shí)現(xiàn)線程間可見呢？用volatile修飾flag就可以做到:

我們可以看到，用volatile修飾flag之后，線程B修改flag之后線程A是能感知到的，說明了volatile保證了線程同步之間的可見性。

重排序

在闡述volatile有序性之前，需要先補(bǔ)充一些關(guān)于重排序的知識(shí)。

重排序是指編譯器和處理器為了優(yōu)化程序性能而對(duì)指令序列進(jìn)行重新排序的一種手段。

為什么要有重排序呢？簡(jiǎn)單來說，就是為了提升執(zhí)行效率。為什么能提升執(zhí)行效率呢？我們看下面這個(gè)例子：

可以看到重排序之后CPU實(shí)際執(zhí)行省略了一個(gè)讀取和寫回的操作，也就間接的提升了執(zhí)行效率。

有一點(diǎn)必須強(qiáng)調(diào)的是，上圖的例子只是為了讓讀者更好的理解為什么重排序能提升執(zhí)行效率，實(shí)際上Java里面的重排序并不是基于代碼級(jí)別的，從代碼到CPU執(zhí)行之間還有很多個(gè)階段，CPU底層還有一些優(yōu)化，實(shí)際上的執(zhí)行流程可能并不是上圖的說的那樣。不必過于糾結(jié)于此。

重排序可以提高程序的運(yùn)行效率，但是必須遵循as-if-serial語(yǔ)義。as-if-serial語(yǔ)義是什么呢？簡(jiǎn)單來說，就是不管你怎么重排序，你必須保證不管怎么重排序，單線程下程序的執(zhí)行結(jié)果不能被改變。

有序性

上面我們已經(jīng)介紹了Java有重排序情況，現(xiàn)在我們?cè)賮砹囊涣膙olatile的有序性。

先看一個(gè)經(jīng)典的面試題：為什么DDL（double check lock）單例模式需要加volatile關(guān)鍵字？

因?yàn)閟ingleton = new Singleton()不是一個(gè)原子操作，大概要經(jīng)過這幾個(gè)步驟：

分配一塊內(nèi)存空間調(diào)用構(gòu)造器，初始化實(shí)例 singleton指向分配的內(nèi)存空間

實(shí)際執(zhí)行的時(shí)候，可能發(fā)生重排序，導(dǎo)致實(shí)際執(zhí)行步驟是這樣的：

申請(qǐng)一塊內(nèi)存空間 singleton指向分配的內(nèi)存空間調(diào)用構(gòu)造器，初始化實(shí)例

在singleton指向分配的內(nèi)存空間之后，singleton就不為空了。但是在沒有調(diào)用構(gòu)造器初始化實(shí)例之前，這個(gè)對(duì)象還處于半初始化狀態(tài)，在這個(gè)狀態(tài)下，實(shí)例的屬性都還是默認(rèn)屬性，這個(gè)時(shí)候如果有另一個(gè)線程調(diào)用getSingleton()方法時(shí)，會(huì)拿到這個(gè)半初始化的對(duì)象，導(dǎo)致出錯(cuò)。

而加volatile修飾之后，就會(huì)禁止重排序，這樣就能保證在對(duì)象初始化完了之后才把singleton指向分配的內(nèi)存空間，杜絕了一些不可控錯(cuò)誤的產(chǎn)生。volatile提供了happens-before保證，對(duì)volatile變量的寫入happens-before所有其他線程后續(xù)對(duì)的讀操作。

原理

從上面的DDL單例用例來看，在并發(fā)情況下，重排序的存在會(huì)導(dǎo)致一些未知的錯(cuò)誤。而加上volatile之后會(huì)防止重排序，那volatile是如何禁止重排序呢？

為了實(shí)現(xiàn)volatile的內(nèi)存語(yǔ)義，JMM會(huì)限制特定類型的編譯器和處理器重排序，JMM會(huì)針對(duì)編譯器制定volatile重排序規(guī)則表：

總結(jié)來說就是：

第二個(gè)操作是volatile寫，不管第一個(gè)操作是什么都不會(huì)重排序第一個(gè)操作是volatile讀，不管第二個(gè)操作是什么都不會(huì)重排序第一個(gè)操作是volatile寫，第二個(gè)操作是volatile讀，也不會(huì)發(fā)生重排序

如何保證這些操作不會(huì)發(fā)送重排序呢？就是通過插入內(nèi)存屏障保證的，JMM層面的內(nèi)存屏障分為讀（load）屏障和寫（Store）屏障，排列組合就有了四種屏障。對(duì)于volatile操作，JMM內(nèi)存屏障插入策略：

在每個(gè)volatile寫操作的前面插入一個(gè)StoreStore屏障在每個(gè)volatile寫操作的后面插入一個(gè)StoreLoad屏障在每個(gè)volatile讀操作的后面插入一個(gè)LoadLoad屏障在每個(gè)volatile讀操作的后面插入一個(gè)LoadStore屏障

上面的屏障都是JMM規(guī)范級(jí)別的，意思是，按照這個(gè)規(guī)范寫JDK能保證volatile修飾的內(nèi)存區(qū)域的操作不會(huì)發(fā)送重排序。

在硬件層面上，也提供了一系列的內(nèi)存屏障來提供一致性的能力。拿X86平臺(tái)來說，主要提供了這幾種內(nèi)存屏障指令：

lfence指令：在lfence指令前的讀操作當(dāng)必須在lfence指令后的讀操作前完成，類似于讀屏障 sfence指令：在sfence指令前的寫操作當(dāng)必須在sfence指令后的寫操作前完成，類似于寫屏障 mfence指令： 在mfence指令前的讀寫操作當(dāng)必須在mfence指令后的讀寫操作前完成，類似讀寫屏障。

JMM規(guī)范需要加這么多內(nèi)存屏障，但實(shí)際情況并不需要加這么多內(nèi)存屏障。以我們常見的X86處理器為例，X86處理器不會(huì)對(duì)讀-讀、讀-寫和寫-寫操作做重排序，會(huì)省略掉這3種操作類型對(duì)應(yīng)的內(nèi)存屏障，僅會(huì)對(duì)寫-讀操作做重排序。所以volatile寫-讀操作只需要在volatile寫后插入StoreLoad屏障。在《The JSR-133 Cookbook for Compiler Writers》中，也很明確的指出了這一點(diǎn)：

而在x86處理器中，有三種方法可以實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)StoreLoad屏障的效果，分別為：

mfence指令：上文提到過，能實(shí)現(xiàn)全能型屏障，具備lfence和sfence的能力。 cpuid指令：cpuid操作碼是一個(gè)面向x86架構(gòu)的處理器補(bǔ)充指令，它的名稱派生自CPU識(shí)別，作用是允許軟件發(fā)現(xiàn)處理器的詳細(xì)信息。 lock指令前綴：總線鎖。lock前綴只能加在一些特殊的指令前面。

實(shí)際上HotSpot關(guān)于volatile的實(shí)現(xiàn)就是使用的lock指令，只在volatile標(biāo)記的地方加上帶lock前綴指令操作，并沒有參照J(rèn)MM規(guī)范的屏障設(shè)計(jì)而使用對(duì)應(yīng)的mfence指令。

加上-XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX:+PrintAssembly -XcompJVM參數(shù)再次執(zhí)行main方法，在打印的匯編碼中，我們也可以看到有一個(gè)lock addl $0x0,(%rsp)的操作。

在源碼中也可以得到驗(yàn)證：

lock addl $0x0,(%rsp)后面的addl $0x0,(%rsp)其實(shí)是一個(gè)空操作。add是加的意思，0x0是16進(jìn)制的0，rsp是一種類型寄存器，合起來就是把寄存器的值加0，加0是不是等于什么都沒有做？這段匯編碼僅僅是lock指令的一個(gè)載體而已。其實(shí)上文也有提到過，lock前綴只能加在一些特殊的指令前面，add就是其中一個(gè)指令。

至于Hotspot為什么要使用lock指令而不是mfence指令，按照我的理解，其實(shí)就是省事，實(shí)現(xiàn)起來簡(jiǎn)單。因?yàn)閘ock功能過于強(qiáng)大，不需要有太多的考慮。而且lock指令優(yōu)先鎖緩存行，在性能上，lock指令也沒有想象中的那么差，mfence指令更沒有想象中的好。所以，使用lock是一個(gè)性價(jià)比非常高的一個(gè)選擇。而且，lock也有對(duì)可見性的語(yǔ)義說明。

在《IA-32架構(gòu)軟件開發(fā)人員手冊(cè)》的指令表中找到lock：

我不打算在這里深入闡述lock指令的實(shí)現(xiàn)原理和細(xì)節(jié)，這很容易陷入堆砌技術(shù)術(shù)語(yǔ)中，而且也超出了本文的范圍，有興趣的可以去看看《IA-32架構(gòu)軟件開發(fā)人員手冊(cè)》。

我們只需要知道lock的這幾個(gè)作用就可以了：

確保后續(xù)指令執(zhí)行的原子性。在Pentium及之前的處理器中，帶有l(wèi)ock前綴的指令在執(zhí)行期間會(huì)鎖住總線，使得其它處理器暫時(shí)無法通過總線訪問內(nèi)存，很顯然，這個(gè)開銷很大。在新的處理器中，Intel使用緩存鎖定來保證指令執(zhí)行的原子性，緩存鎖定將大大降低lock前綴指令的執(zhí)行開銷。禁止該指令與前面和后面的讀寫指令重排序。把寫緩沖區(qū)的所有數(shù)據(jù)刷新到內(nèi)存中。

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