Java面試中經(jīng)常會(huì)涉及關(guān)于volatile的問(wèn)題。本文梳理下volatile關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)。

volatile字意為“易失性”，在Java中用做修飾對(duì)象變量。它不是Java特有，在C，C++，C#等編程語(yǔ)言也存在，只是在其它編程語(yǔ)言中使用有所差異，但總體語(yǔ)義一致。比如使用volatile 能阻止編譯器對(duì)變量的讀寫(xiě)優(yōu)化。簡(jiǎn)單說(shuō)，如果一個(gè)變量被修飾為volatile，相當(dāng)于告訴系統(tǒng)說(shuō)我容易變化，編譯器你不要隨便優(yōu)化（重排序，緩存）我。

Happens-before

規(guī)范上，Java內(nèi)存模型遵行happens-before。

volatile變量在多線程中，寫(xiě)線程和讀線程具有happens-before關(guān)系。也就是寫(xiě)值的線程要在讀取線程之前，并且讀線程能完全看見(jiàn)寫(xiě)線程的相關(guān)變量。

happens-before：如果兩個(gè)有兩個(gè)動(dòng)作AB，A發(fā)生在B之前，那么A的順序應(yīng)該在B前面并且A的操作對(duì)B完全可見(jiàn)。

happens-before 具有傳遞性，如果A發(fā)生在B之前，而B(niǎo)發(fā)生在C之前，那么A發(fā)生在C之前。

如何保證可見(jiàn)性

多線程環(huán)境下counter變量的更新過(guò)程。線程1先從主存拷貝副本到CPU緩存，然后CPU執(zhí)行counter=7，修改完后寫(xiě)入CPU緩存，等待時(shí)機(jī)同步到主存。在線程1同步主存前，線程2讀到counter值依然為0。此時(shí)已經(jīng)發(fā)生內(nèi)存一致性錯(cuò)誤（對(duì)于相同的共享數(shù)據(jù)，多線程讀到視圖不一致）。因?yàn)榫€程2看不見(jiàn)線程1操作結(jié)果，也將這個(gè)問(wèn)題稱為可見(jiàn)性問(wèn)題。

public class SharedObject {
  public int counter = 0;
}

因?yàn)槎嗔司彺鎯?yōu)化導(dǎo)致，導(dǎo)致可見(jiàn)性問(wèn)題。所以volatile通過(guò)消除緩存（描述可能不太準(zhǔn)確）來(lái)避免。例如當(dāng)使用volatile修飾變量后，操作該變量讀寫(xiě)直接與主存交互，跳過(guò)緩存層，保證其它讀線程每次獲取的都是最新值。

public volatile int counter = 0;

volatile 不單只消除修飾的變量的緩存。事實(shí)上與之相關(guān)的變量在讀寫(xiě)時(shí)也會(huì)消除緩存，如同使用了volatile一樣。

如下 years，months，days 三個(gè)變量中只有days是volatile，但是對(duì)years，months讀寫(xiě)操作也和days時(shí)也會(huì)跳過(guò)緩存，其它線程每次讀到的都是最新值。

public class MyClass {
  private int years;
  private int months
  private volatile int days;
  public int totalDays() {
    int total = this.days;
    total += months * 30;
    total += years * 365;
    return total;
  }
  public void update(int years, int months, int days){
    this.years = years;
    this.months = months;
    this.days  = days;
  }
}

這是為什么？我們分析一下。

一個(gè)寫(xiě)線程調(diào)用 update，讀線程調(diào)用totalDays。單線程中，對(duì)于update方法，wa與wb存在happens-before關(guān)系， wa在 wb 之前執(zhí)行并對(duì)wb可見(jiàn)。

多線程中rc與wb存在happens-before關(guān)系，wb在rc之前執(zhí)行并對(duì)rc可見(jiàn)。根據(jù) happens-before傳遞性，wa需要在rc前先執(zhí)行并對(duì)rc可見(jiàn)。

因?yàn)閣b是volatile變量，所以rc獲取的years，months也是最新值。

我們知道出于性能原因，JVM和CPU會(huì)對(duì)程序中的指令進(jìn)行重新排序。如果update方法里面wa和wb順序被重排，那它們的happens-before關(guān)系將不在成立。

為了避免這個(gè)問(wèn)題，volatile對(duì)重排序做了保證 對(duì)于發(fā)生在volatile變量操作前的其他變量的操作不能重新排序。

由此我們得到volatile通過(guò)消除緩存和防止重排保證線程的可見(jiàn)性。

volatile保證線程安全？

討論線程安全，大家都會(huì)提及原子性，順序性，可見(jiàn)性。volatile側(cè)重于保證可見(jiàn)性，也就是當(dāng)寫(xiě)的線程更新后，讀線程總能獲得最新值。在只有一個(gè)線程寫(xiě)，多個(gè)線程讀的場(chǎng)景下，volatile能滿足線程安全?？扇绻鄠€(gè)線程同時(shí)寫(xiě)入volatile變量時(shí)，則需要引入同步語(yǔ)義才能保證線程安全。

模擬10個(gè)線程同時(shí)寫(xiě)入volatile變量，一個(gè)線程讀counter，執(zhí)行完后正確結(jié)果應(yīng)該是counter=10。

  public static class WriterTask implements Runnable {
    private final ShareObject share;
    private final CountDownLatch countDownLatch;
    public WriterTask(ShareObject share, CountDownLatch countDownLatch) {
      this.share = share;
      this.countDownLatch = countDownLatch;
    }
    @Override
    public void run() {
      countDownLatch.countDown();
      share.increase();
    }
  }
  
  public class ShareObject {
    private volatile int counter;
    public void increase() {
      this.counter++;
    }
  }

執(zhí)行結(jié)果出現(xiàn)counter=5或6 錯(cuò)誤結(jié)果。

通過(guò) synchronized，Lock或AtomicInteger 原子變量保證了結(jié)果的正確。

完整demo https://gist.github.com/onlythinking/ba7ca7aa5faf00a58f4cedae474fa6f6

volatile性能

volatile變量帶來(lái)可見(jiàn)性的保證，訪問(wèn)volatile變量還防止了指令重排序。不過(guò)這一切是以犧牲優(yōu)化（消除緩存，直接操作主存開(kāi)銷增加）為代價(jià)，所以不應(yīng)該濫用volatile，僅在確實(shí)需要增強(qiáng)變量可見(jiàn)性的時(shí)候使用。

總結(jié)

本文記錄了volatile變量通過(guò)消除緩存，防止指令重排序來(lái)保證線程可見(jiàn)性，并且在多線程寫(xiě)入的變量的場(chǎng)景下，不保證線程安全。

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