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Java并發(fā)編程——volatile關(guān)鍵字

更新時(shí)間：2020年10月09日 10:48:58 作者：莫斐銘

這篇文章主要介紹了Java并發(fā)編程——volatile關(guān)鍵字的相關(guān)資料，幫助大家更好的理解和學(xué)習(xí)Java并發(fā)編程，感興趣的朋友可以了解下

一、volatile是什么

volatile是Java并發(fā)編程中重要的一個(gè)關(guān)鍵字，被比喻為“輕量級(jí)的synchronized”，與synchronized不同的是，volatile只能修飾變量，無(wú)法修飾方法及代碼塊等。
下面是使用volatile關(guān)鍵字實(shí)現(xiàn)的單例模式：

public class Singleton implements Serializable {
  private static volatile Singleton singleton;
  private Singleton() {}
  public static Singleton getSingleton() {
    if (singleton==null) {         // 1
      synchronized (Singleton.class) {  // 2
        if (singleton==null) {     // 3
          singleton = new Singleton();// 4
        }
      }
    }
    return singleton;
  }
  private Object readResolve() { //防止序列化破壞單例模式
    return singleton;
  }
}

1.單例為什么使用volatile關(guān)鍵字？

首先要理解new Singleton()做了什么。1.看class對(duì)象是否加載，如果沒(méi)有就進(jìn)行類(lèi)的加載、解析和初始化；2.虛擬機(jī)分配內(nèi)存空間，初始化實(shí)例，3.調(diào)用構(gòu)造函數(shù)，4.返回地址給引用。而cpu為了優(yōu)化程序，可能會(huì)進(jìn)行指令重排序，導(dǎo)致實(shí)例內(nèi)存還沒(méi)分配，就被使用了。

假設(shè)有兩個(gè)線程A和B，線程A執(zhí)行到new Singleton()，開(kāi)始初始化實(shí)例對(duì)象，由于存在指令重排序，這次new操作，先把引用賦值了，還沒(méi)有執(zhí)行構(gòu)造函數(shù)（沒(méi)有真正執(zhí)行完）。這時(shí)時(shí)間片結(jié)束了，切換到線程B執(zhí)行，線程B調(diào)用new Singleton()方法，發(fā)現(xiàn)引用不等于null，就直接返回引用地址了，然后線程B執(zhí)行了一些操作，就可能導(dǎo)致線程B使用了還沒(méi)被初始化的變量。

2.單例模式中步驟1、2、3、4存在的意義何在？

首先，步驟2、3是保證單例。假設(shè)線程A和B都執(zhí)行到了步驟2，線程A拿到了鎖，執(zhí)行步驟3，如果此時(shí)沒(méi)有創(chuàng)建實(shí)例，線程A會(huì)執(zhí)行new創(chuàng)建實(shí)例，然后線程A釋放鎖，線程B拿到鎖，首先執(zhí)行步驟3，發(fā)現(xiàn)已經(jīng)創(chuàng)建了實(shí)例，直接返回。加鎖是比較消耗資源的，步驟1就是為了減少資源的消耗。

二、volatile的特性

1.禁止指令重排序

指令重排序是JVM為了優(yōu)化指令、提高程序運(yùn)行效率，在不影響單線程程序執(zhí)行結(jié)果的前提下，盡可能地提高并行度。指令重排序包括編譯器重排序和運(yùn)行時(shí)重排序。

volatile關(guān)鍵字提供內(nèi)存屏障的方式來(lái)防止指令被重排，編譯器在生成字節(jié)碼文件時(shí)，會(huì)在指令序列中插入內(nèi)存屏障來(lái)禁止特定類(lèi)型的處理器重排序。

JVM內(nèi)存屏障插入策略：

每個(gè)volatile寫(xiě)操作的前面插入一個(gè)StoreStore屏障，Store1;StoreStore;Store2，在Store2及后續(xù)的寫(xiě)入操作執(zhí)行前，保證Store1的寫(xiě)入操作對(duì)其他處理器可見(jiàn)，保證了有序性和可見(jiàn)性；
在每個(gè)volatile寫(xiě)操作的后面插入一個(gè)StoreLoad屏障，Store1;StoreLoad;Load2，在Load2及后續(xù)的讀取操作執(zhí)行前，保證Store1的寫(xiě)入操作對(duì)其他處理器可見(jiàn)，它的開(kāi)銷(xiāo)是最大的，兼具其他三種的作用，保證了有序性和可見(jiàn)性；
在每個(gè)volatile讀操作的后面插入一個(gè)LoadLoad屏障，Load1;LoadLoad;Load2，在Load2及后續(xù)的讀取操作執(zhí)行前，保證Load1讀取的數(shù)據(jù)已經(jīng)讀取完畢；
在每個(gè)volatile讀操作的后面插入一個(gè)LoadStore屏障，Load1;LoadStore;Store2，在Store2及后續(xù)的寫(xiě)入操作執(zhí)行前，保證Load1讀取的數(shù)據(jù)已經(jīng)讀取完畢。

2.保證內(nèi)存可見(jiàn)性

可見(jiàn)性是指對(duì)volatile變量的讀總能獲取其他任意線程對(duì)volatile變量的最后的寫(xiě)。
可見(jiàn)性的實(shí)現(xiàn)基于volatile讀寫(xiě)的內(nèi)存語(yǔ)義：

volatile寫(xiě)的內(nèi)存語(yǔ)義：當(dāng)寫(xiě)入一個(gè)volatile變量時(shí)，JVM將線程工作內(nèi)存中的變量值刷新到主內(nèi)存中；
volatile讀的內(nèi)存語(yǔ)義：當(dāng)讀取一個(gè)volatile變量時(shí)，JVM首先將改工作內(nèi)存中的變量設(shè)置為無(wú)效，重新從主內(nèi)存中獲取最新的有效值。

三、使用場(chǎng)景

（1）volatile是輕量級(jí)同步機(jī)制。與synchronized的區(qū)別是volatile只能保證有序性和可見(jiàn)性，不能保證原子性。
（2）volatile不能修飾寫(xiě)入操作依賴(lài)當(dāng)前值的變量。聲明為volatile的簡(jiǎn)單變量如果當(dāng)前值與該變量以前的值相關(guān)，那么volatile關(guān)鍵字不起作用，也就是說(shuō)如下的表達(dá)式都不是原子操作：“count++”、“count = count+1”。
（3）當(dāng)要訪問(wèn)的變量已在synchronized代碼塊中，或?yàn)槌Ａ繒r(shí)，沒(méi)必要使用volatile；
（4）volatile保證了有序性，屏蔽掉了JVM中必要的代碼優(yōu)化，所以在效率上比較低，因此一定在必要時(shí)才使用此關(guān)鍵字。
（5）在以下兩個(gè)場(chǎng)景中可以使用volatile來(lái)代替synchronized：