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Java關(guān)鍵字volatile詳析

更新時(shí)間：2022年01月26日 08:45:34 作者：負(fù)債程序猿?

這篇文章主要介紹了Java關(guān)鍵字volatile,volatile關(guān)鍵字可以說(shuō)是Java虛擬機(jī)提供的最輕量級(jí)的同步機(jī)制，但對(duì)于為什么它只能保證可見(jiàn)性，不保證原子性，它又是如何禁用指令重排的，還有很多同學(xué)沒(méi)徹底理解,文章會(huì)讓大家牢掌握一個(gè)Java核心知識(shí)點(diǎn)

一、可見(jiàn)性

碼：

public class VolatileTest {
? ? private static volatile int count = 0;

? ? private static void increase() {
? ? ? ? count++;
? ? }

? ? public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
? ? ? ? for (int i = 0; i < 10; i++) {
? ? ? ? ? ? new Thread(() -> {
? ? ? ? ? ? ? ? for (int j = 0; j < 10000; j++) {
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? increase();
? ? ? ? ? ? ? ? }
? ? ? ? ? ? }).start();
? ? ? ? }
?? ??? ?// 所有線程累加完成后輸出
? ? ? ? while (Thread.activeCount() > 2) Thread.yield();
? ? ? ? System.out.println(count);
? ? }
}

代碼很好理解，開(kāi)了十個(gè)線程對(duì)同一個(gè)共享變量count做累加，每個(gè)線程累加1w次

count我們已經(jīng)用volatile修飾，已經(jīng)保證了count對(duì)十個(gè)線程在內(nèi)存中的可見(jiàn)性，按理說(shuō)十個(gè)線程執(zhí)行完畢count的值應(yīng)該10w

運(yùn)行多次，結(jié)果都遠(yuǎn)小于期望值

是哪個(gè)環(huán)節(jié)出了問(wèn)題？

你肯定聽(tīng)過(guò)一句話：volatile只保證可見(jiàn)性，不保證原子性

這句話就是答案，但是依舊很多人沒(méi)搞懂其中的奧秘

說(shuō)來(lái)話長(zhǎng)我長(zhǎng)話短說(shuō)，簡(jiǎn)單來(lái)講就是 count++這個(gè)操作不是原子的，它是分三步進(jìn)行

從內(nèi)存讀取 count 的值
執(zhí)行 count + 1
將 count 的新值寫回

要徹底搞懂這個(gè)問(wèn)題，我們得從字節(jié)碼入手

下面是increase方法編譯后的字節(jié)碼

看不懂沒(méi)關(guān)系，我們一行一行來(lái)看：

GETSTATIC：讀取 count 的當(dāng)前值
ICONST_1：將常量 1 加載到棧頂
IADD：執(zhí)行+1
PUTSTATIC：寫入count最新值

ICONST_1和IADD其實(shí)就是真正的++操作

關(guān)鍵點(diǎn)來(lái)了，volatile只能保證線程在GETSTATIC這一步拿到的值是最新的，但當(dāng)該線程執(zhí)行到下面幾行指令時(shí)，這期間可能就有其它線程把count的值修改了，最終導(dǎo)致舊值把真正的新值覆蓋

所以,并發(fā)編程中，只靠volatile修飾共享變量是不可靠的，最終還是要通過(guò)對(duì)關(guān)鍵方法加鎖來(lái)保證線程安全

就如上面的demo，稍加修改就能實(shí)現(xiàn)真正的線程安全

最簡(jiǎn)單的，給increase方法加個(gè)synchronized （synchronized怎么實(shí)現(xiàn)線程安全的我就不啰嗦了，我以前講過(guò) synchronized底層實(shí)現(xiàn)原理）

? ? private synchronized static void increase() {
? ? ? ? ++count;
? ? }

run幾下:

這不就妥了嘛

到現(xiàn)在，對(duì)于以下兩點(diǎn)你應(yīng)該有了新的認(rèn)知:

volatile保證變量在內(nèi)存中對(duì)線程的可見(jiàn)性
volatile只保證可見(jiàn)性，不保證原子性

二、關(guān)于指令重排

并發(fā)編程中，cpu自身和虛擬機(jī)為了提高執(zhí)行效率，都會(huì)采用指令重排（在保證不影響結(jié)果的前提下，將某些代碼亂序執(zhí)行）

關(guān)于cpu：為了從分利用cpu，實(shí)際執(zhí)行指令時(shí)會(huì)做優(yōu)化；
關(guān)于虛擬機(jī)：在HotSpot vm中，為了提升執(zhí)行效率，JIT(即時(shí)編譯)模式也會(huì)做指令優(yōu)化

指令重排在大部分場(chǎng)景下確實(shí)能提升執(zhí)行效率，但有些場(chǎng)景對(duì)代碼執(zhí)行順序是強(qiáng)依賴的，此時(shí)我們需要禁用指令重排，如下面這個(gè)場(chǎng)景

偽代碼取自《深入理解Java虛擬機(jī)》：

其描述的場(chǎng)景是開(kāi)發(fā)中常見(jiàn)配置讀取過(guò)程，只是我們?cè)谔幚砼渲梦募r(shí)一般不會(huì)出現(xiàn)并發(fā)，所以沒(méi)有察覺(jué)這會(huì)有問(wèn)題。
試想一下，如果定義initialized變量時(shí)沒(méi)有使用volatile修飾，就可能會(huì)由于指令重排序的優(yōu)化，導(dǎo)致位于線程A中最后一條代碼“initialized=true”被提前執(zhí)行（這里雖然使用Java作為偽代碼，但所指的重排序優(yōu)化是機(jī)器級(jí)的優(yōu)化操作，提前執(zhí)行是指這條語(yǔ)句對(duì)應(yīng)的匯編代碼被提前執(zhí)行），這樣在線程B中使用配置信息的代碼就可能出現(xiàn)錯(cuò)誤，而volatile通過(guò)禁止指令重排則可以避免此類情況發(fā)生

禁用指令重排只需要將變量聲明為volatile，是不是很神奇

我們來(lái)看看volatile是如何實(shí)現(xiàn)禁用指令重排的：

這是個(gè)單例模式的實(shí)現(xiàn)，下面是它的部分字節(jié)碼，紅框中 mov%eax，0x150(%esi) 是對(duì)instance賦值

可以看到，在賦值后，還執(zhí)行了 lock addl$0x0，(%esp) 指令，關(guān)鍵點(diǎn)就在這兒，這行指令相當(dāng)于此處設(shè)置了個(gè) 內(nèi)存屏障，有了內(nèi)存屏障后，cpu或虛擬機(jī)在指令重排時(shí)就不能把內(nèi)存屏障后面的指令提前到內(nèi)存屏障前面，好好捋一下這段話

到此這篇關(guān)于Java關(guān)鍵字volatile詳析的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java關(guān)鍵字volatile內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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