Java中volatile?的作用
前言:
volatile 是 Java 并發(fā)編程的重要組成部分,也是常見的面試題之一,它的主要作用有兩個:保證內(nèi)存的可見性和禁止指令重排序。下面我們具體來看這兩個功能。
內(nèi)存可見性
說到內(nèi)存可見性問題就不得不提 Java 內(nèi)存模型,Java 內(nèi)存模型(Java Memory Model)簡稱為 JMM,主要是用來屏蔽不同硬件和操作系統(tǒng)的內(nèi)存訪問差異的,因為在不同的硬件和不同的操作系統(tǒng)下,內(nèi)存的訪問是有一定的差異得,這種差異會導致相同的代碼在不同的硬件和不同的操作系統(tǒng)下有著不一樣的行為,而 Java 內(nèi)存模型就是解決這個差異,統(tǒng)一相同代碼在不同硬件和不同操作系統(tǒng)下的差異的。
Java 內(nèi)存模型規(guī)定:所有的變量(實例變量和靜態(tài)變量)都必須存儲在主內(nèi)存中,每個線程也會有自己的工作內(nèi)存,線程的工作內(nèi)存保存了該線程用到的變量和主內(nèi)存的副本拷貝,線程對變量的操作都在工作內(nèi)存中進行。線程不能直接讀寫主內(nèi)存中的變量,
如下圖所示:
然而,Java 內(nèi)存模型會帶來一個新的問題,那就是內(nèi)存可見性問題,也就是當某個線程修改了主內(nèi)存中共享變量的值之后,其他線程不能感知到此值被修改了,它會一直使用自己工作內(nèi)存中的“舊值”,這樣程序的執(zhí)行結果就不符合我們的預期了,這就是內(nèi)存可見性問題,我們用以下代碼來演示一下這個問題:
private static boolean flag = false; public static void main(String[] args) { Thread t1 = new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { while (!flag) { } System.out.println("終止執(zhí)行"); } }); t1.start(); Thread t2 = new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { try { Thread.sleep(1000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println("設置 flag=true"); flag = true; } }); t2.start(); }
以上代碼我們預期的結果是,在線程 1 執(zhí)行了 1s 之后,線程 2 將 flag 變量修改為 true,之后線程 1 終止執(zhí)行,然而,因為線程 1 感知不到 flag 變量發(fā)生了修改,也就是內(nèi)存可見性問題,所以會導致線程 1 會永遠的執(zhí)行下去,最終我們看到的結果是這樣的:
如何解決以上問題呢?只需要給變量 flag 加上 volatile 修飾即可,具體的實現(xiàn)代碼如下:
private volatile static boolean flag = false; public static void main(String[] args) { Thread t1 = new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { while (!flag) { } System.out.println("終止執(zhí)行"); } }); t1.start(); Thread t2 = new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { try { Thread.sleep(1000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println("設置 flag=true"); flag = true; } }); t2.start(); }
以上程序的執(zhí)行結果如下圖所示:
禁止指令重排序
指令重排序是指編譯器或 CPU 為了優(yōu)化程序的執(zhí)行性能,而對指令進行重新排序的一種手段。
指令重排序的實現(xiàn)初衷是好的,但是在多線程執(zhí)行中,如果執(zhí)行了指令重排序可能會導致程序執(zhí)行出錯。指令重排序最典型的一個問題就發(fā)生在單例模式中,
比如以下問題代碼:
public class Singleton { private Singleton() {} private static Singleton instance = null; public static Singleton getInstance() { if (instance == null) { // ① synchronized (Singleton.class) { if (instance == null) { instance = new Singleton(); // ② } } } return instance; } }
以上問題發(fā)生在代碼 ② 這一行“instance = new Singleton();”,這行代碼看似只是一個創(chuàng)建對象的過程,然而它的實際執(zhí)行卻分為以下 3 步:
- 創(chuàng)建內(nèi)存空間。
- 在內(nèi)存空間中初始化對象 Singleton。
- 將內(nèi)存地址賦值給 instance 對象(執(zhí)行了此步驟,instance 就不等于 null 了)。
如果此變量不加 volatile,那么線程 1 在執(zhí)行到上述代碼的第 ② 處時就可能會執(zhí)行指令重排序,將原本是 1、2、3 的執(zhí)行順序,重排為 1、3、2。但是特殊情況下,線程 1 在執(zhí)行完第 3 步之后,如果來了線程 2 執(zhí)行到上述代碼的第 ① 處,判斷 instance 對象已經(jīng)不為 null,但此時線程 1 還未將對象實例化完,那么線程 2 將會得到一個被實例化“一半”的對象,從而導致程序執(zhí)行出錯,這就是為什么要給私有變量添加 volatile 的原因了。
要使以上單例模式變?yōu)榫€程安全的程序,需要給 instance 變量添加 volatile 修飾,它的最終實現(xiàn)代碼如下:
public class Singleton { private Singleton() {} // 使用 volatile 禁止指令重排序 private static volatile Singleton instance = null; // 【主要是此行代碼發(fā)生了變化】 public static Singleton getInstance() { if (instance == null) { // ① synchronized (Singleton.class) { if (instance == null) { instance = new Singleton(); // ② } } } return instance; } }
總結
volatile 是 Java 并發(fā)編程的重要組成部分,它的主要作用有兩個:保證內(nèi)存的可見性和禁止指令重排序。volatile 常使用在一寫多讀的場景中,比如 CopyOnWriteArrayList 集合,它在操作的時候會把全部數(shù)據(jù)復制出來對寫操作加鎖,修改完之后再使用 setArray 方法把此數(shù)組賦值為更新后的值,使用 volatile 可以使讀線程很快的告知到數(shù)組被修改,不會進行指令重排,操作完成后就可以對其他線程可見了。
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