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Java中不可或缺的關(guān)鍵字volatile詳析

更新時(shí)間：2022年12月27日 08:22:23 作者：啵啵腸

volatile是Java提供的一種輕量級(jí)的同步機(jī)制,下面這篇文章主要給大家介紹了關(guān)于Java中不可或缺的關(guān)鍵字volatile的相關(guān)資料,文中通過示例代碼介紹的非常詳細(xì),需要的朋友可以參考下

什么是volatile關(guān)鍵字

volatile是Java中用于修飾變量的關(guān)鍵字，其可以保證該變量的可見性以及順序性，但是無法保證原子性。更準(zhǔn)確地說是volatile關(guān)鍵字只能保證單操作的原子性， 比如x=1 ，但是無法保證復(fù)合操作的原子性，比如x++

其為Java提供了一種輕量級(jí)的同步機(jī)制：保證被volatile修飾的共享變量對(duì)所有線程總是可見的，也就是當(dāng)一個(gè)線程修改了一個(gè)被volatile修飾共享變量的值，新值總是可以被其他線程立即得知。相比于synchronized關(guān)鍵字（synchronized通常稱為重量級(jí)鎖），volatile更輕量級(jí)，開銷低，因?yàn)樗粫?huì)引起線程上下文的切換和調(diào)度。

保證可見性

可見性：是指當(dāng)多個(gè)線程訪問同一個(gè)變量時(shí)，一個(gè)線程修改了這個(gè)變量的值，其他線程能夠立即看到修改的值。我們一起來看一個(gè)例子：

public class VisibilityTest {
    private boolean flag = true;
?
    public void change() {
        flag = false;
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "，已修改flag=false");
    }
?
    public void load() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "，開始執(zhí)行.....");
        int i = 0;
        while (flag) {
            i++;
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",結(jié)束循環(huán)");
    }
?
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        VisibilityTest test = new VisibilityTest();
?
        // 線程threadA模擬數(shù)據(jù)加載場景
        Thread threadA = new Thread(() -> test.load(), "threadA");
        threadA.start();
?
        // 讓threadA執(zhí)行一會(huì)兒
        Thread.sleep(1000);
        // 線程threadB 修改 共享變量flag
        Thread threadB = new Thread(() -> test.change(), "threadB");
        threadB.start();
?
    }
}

其中：threadA 負(fù)責(zé)循環(huán)，threadB負(fù)責(zé)修改共享變量flag，如果flag=false時(shí)，threadA 會(huì)結(jié)束循環(huán)，但是上面的例子會(huì)死循環(huán)！原因是threadA無法立即讀取到共享變量flag修改后的值。我們只需private volatile boolean flag = true;，加上volatile關(guān)鍵字threadA就可以立即退出循環(huán)了。

其中Java中的volatile關(guān)鍵字提供了一個(gè)功能：那就是被volatile修飾的變量P被修改后，JMM會(huì)把該線程本地內(nèi)存中的這個(gè)變量P，立即強(qiáng)制刷新到主內(nèi)存中去，導(dǎo)致其他線程中的volatile變量P緩存無效，也就是說其他線程使用volatile變量P在時(shí)，都是從主內(nèi)存刷新的最新數(shù)據(jù)。而普通變量的值在線程間傳遞的時(shí)候一般是通過主內(nèi)存以共享內(nèi)存的方式實(shí)現(xiàn)的；

因此，可以使用volatile來保證多線程操作時(shí)變量的可見性。除了volatile，Java中的synchronized和final兩個(gè)關(guān)鍵字以及各種Lock也可以實(shí)現(xiàn)可見性。加鎖的話，當(dāng)一個(gè)線程進(jìn)入 synchronized代碼塊后，線程獲取到鎖，會(huì)清空本地內(nèi)存，然后從主內(nèi)存中拷貝共享變量的最新值到本地內(nèi)存作為副本，執(zhí)行代碼，又將修改后的副本值刷新到主內(nèi)存中，最后線程釋放鎖。

保證有序性

有序性，顧名思義即程序執(zhí)行的順序按照代碼的先后順序執(zhí)行。但現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)中CPU中為了能夠讓指令的執(zhí)行盡可能地同時(shí)運(yùn)行起來，提示計(jì)算機(jī)性能，采用了指令流水線。一個(gè) CPU 指令的執(zhí)行過程可以分成 4 個(gè)階段：取指、譯碼、執(zhí)行、寫回。這 4 個(gè)階段分別由 4 個(gè)獨(dú)立物理執(zhí)行單元來完成。

理想的情況是：指令之間無依賴，可以使流水線的并行度最大化但是如果兩條指令的前后存在依賴關(guān)系，比如數(shù)據(jù)依賴，控制依賴等，此時(shí)后一條語句就必需等到前一條指令完成后，才能開始。所以CPU為了提高流水線的運(yùn)行效率，對(duì)無依賴的前后指令做適當(dāng)?shù)膩y序和調(diào)度，即現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)中CPU是亂序執(zhí)行指令的

另一方面，只要不會(huì)改變程序的運(yùn)行結(jié)果，Java編譯器是可以通過指令重排來優(yōu)化性能。然而，重排可能會(huì)影響本地處理器緩存與主內(nèi)存交互的方式，可能導(dǎo)致在多線程的情況下發(fā)生"細(xì)微"的BUG。

指令重排一般可以分為如下三種類型：

編譯器優(yōu)化重排序，編譯器在不改變單線程程序語義的前提下，可以重新安排語句的執(zhí)行順序。
指令級(jí)并行重排序，現(xiàn)代處理器采用了指令級(jí)并行技術(shù)來將多條指令重疊執(zhí)行。如果不存在數(shù)據(jù)依賴性，處理器可以改變語句對(duì)應(yīng)機(jī)器指令的執(zhí)行順序。
內(nèi)存系統(tǒng)重排序，由于處理器使用緩存和讀 / 寫緩沖區(qū)，這使得加載和存儲(chǔ)操作看上去可能是在亂序執(zhí)行。這并不是顯式的將指令進(jìn)行重排序，只是因?yàn)榫彺娴脑颍屩噶畹膱?zhí)行看起來像亂序。

從 Java 源代碼到最終執(zhí)行的指令序列，一般會(huì)經(jīng)歷下面三種重排序：

編譯器優(yōu)化重排序 - 指令級(jí)并行重排序 - 內(nèi)存系統(tǒng)重排序 - 最終執(zhí)行的指令排序

變量初始化賦值

我們一起來看一個(gè)例子，讓大家體悟volatile關(guān)鍵字的禁止指令重排的作用：

int i = 0;
int j = 0;
int k = 0;
i = 10; 
j = 1;

對(duì)于上面的代碼我們正常的執(zhí)行流程是：

初始化i
初始化j
初始化k
i賦值
j賦值

但由于指令重排序問題，代碼的執(zhí)行順序未必就是編寫代碼時(shí)候的順序。語句可能的執(zhí)行順序如下：

初始化i
i賦值
初始化j
j賦值
初始化k

指令重排對(duì)于非原子性的操作，在不影響最終結(jié)果的情況下，其拆分成的原子操作可能會(huì)被重新排列執(zhí)行順序,提升性能。指令重排不會(huì)影響單線程的執(zhí)行結(jié)果，但是會(huì)影響多線程并發(fā)執(zhí)行的結(jié)果正確性。

但當(dāng)我們用volatile修飾變量k時(shí)：

int i = 0;
int j = 0;
volatile int k = 0;
i = 10; 
j = 1;

這樣會(huì)保證上面代碼執(zhí)行順序：變量i和j的初始化，在volatile int k = 0之前，變量i和j的賦值操作在volatile int k = 0后面

懶漢式單例 -- 雙重校驗(yàn)鎖 volatile版

我們可以使用volatile關(guān)鍵字去阻止重排 volatile變量周圍的讀寫指令，這種操作通常稱為 memory barrier （內(nèi)存屏障）

隱藏特性

volatile關(guān)鍵字除了禁止指令重排的作用，還有一個(gè)特性：當(dāng)線程向一個(gè)volatile 變量寫入時(shí)，在線程寫入之前的其他所有變量（包括非volatile變量）也會(huì)刷新到主內(nèi)存。當(dāng)線程讀取一個(gè) volatile變量時(shí)，它也會(huì)讀取其他所有變量（包括非volatile變量）與volatile變量一起刷新到主內(nèi)存。盡管這是一個(gè)重要的特性，但是我們不應(yīng)該過于依賴這個(gè)特性，來"自動(dòng)"使周圍的變量變得volatile，若是我們想讓一個(gè)變量是volatile的，我們編寫程序的時(shí)候需要非常明確地用volatile關(guān)鍵字來修飾。

無法保證原子性

volatile關(guān)鍵字無法保證原子性 ，更準(zhǔn)確地說是volatile關(guān)鍵字只能保證單操作的原子性， 比如x=1 ，但是無法保證復(fù)合操作的原子性，比如x++

所謂原子性：即一個(gè)或者多個(gè)操作作為一個(gè)整體，要么全部執(zhí)行，要么都不執(zhí)行，并且操作在執(zhí)行過程中不會(huì)被線程調(diào)度機(jī)制打斷；而且這種操作一旦開始，就一直運(yùn)行到結(jié)束，中間不會(huì)有任何上下文切換（context switch）

int  = 0;   //語句1，單操作,原子性的操作
?
i++;         //語句2，復(fù)合操作，非原子性的操作

其中：語句2i++ 其實(shí)在Java中執(zhí)行過程，可以分為3步：

i 被從局部變量表（內(nèi)存）取出，
壓入操作棧（寄存器），操作棧中自增
使用棧頂值更新局部變量表（寄存器更新寫入內(nèi)存）

執(zhí)行上述3個(gè)步驟的時(shí)候是可以進(jìn)行線程切換的，或者說是可以被另其他線程的這3 步打斷的，因此語句2不是一個(gè)原子性操作

volatile版

我們再來看一個(gè)例子：

public class Test1 {
?
    public static volatile int val;
?
    public static void add() {
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            val++;
        }
    }
?
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(Test1::add);
        Thread t2 = new Thread(Test1::add);
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();//等待該線程終止
        t2.join();
        System.out.println(val);
    }
}

2個(gè)線程各循環(huán)2000次，每次+1，如果volatile關(guān)鍵字能夠保證原子性，預(yù)期的結(jié)果是2000，但實(shí)際結(jié)果卻是：1127，而且多次執(zhí)行的結(jié)果都不一樣，可以發(fā)現(xiàn)volatile關(guān)鍵字無法保證原子性。

synchronized版

我們可以利用synchronized關(guān)鍵字來解決上面的問題：

public class SynchronizedTest {
    public static int val;
?
    public synchronized static void add() {
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            val++;
        }
    }
?
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(SynchronizedTest::add);
        Thread t2 = new Thread(SynchronizedTest::add);
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();//等待該線程終止
        t2.join();
        System.out.println(val);
    }
}

運(yùn)行結(jié)果：2000

Lock版

我們還可以通過加鎖來解決上述問題：

public class LockTest {
?
    public static int val;
?
    static Lock lock = new ReentrantLock();
?
    public static void add() {
?
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
?
            lock.lock();//上鎖
            try {
                val++;
            }catch(Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }finally {
                lock.unlock();//解鎖
            }
?
        }
?
    }
?
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(LockTest::add);
        Thread t2 = new Thread(LockTest::add);
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();//等待該線程終止
        t2.join();
        System.out.println(val);
    }
?
}

運(yùn)行結(jié)果：2000

Atomic版 i++

Java從JDK 1.5開始提供了java.util.concurrent.atomic包（以下簡稱Atomic包），這個(gè)包中的原子操作類, 靠CAS循環(huán)的方式來保證其原子性，是一種用法簡單、性能高效、線程安全地更新一個(gè)變量的方式。

這些類可以保證多線程環(huán)境下，當(dāng)某個(gè)線程在執(zhí)行atomic的方法時(shí)，不會(huì)被其他線程打斷，而別的線程就像自旋鎖一樣，一直等到該方法執(zhí)行完成，才由JVM從等待隊(duì)列中選擇一個(gè)線程執(zhí)行。

我們來用atomic包來解決volatile原子性的問題：

public class AtomicTest {
    public static AtomicInteger val = new AtomicInteger();
?
    public static void add() {
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            val.getAndIncrement();
        }
    }
?
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(AtomicTest::add);
        Thread t2 = new Thread(AtomicTest::add);
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();//等待該線程終止
        t2.join();
        System.out.println(val);
    }
}

運(yùn)行結(jié)果：2000, 如果我們維護(hù)現(xiàn)有的項(xiàng)目，如果遇到volatile變量最好將其替換為Atomic 變量,除非你真的特別了解volatile。Atomic 就不展開說了，先挖個(gè)坑，以后補(bǔ)上

volatile 原理

當(dāng)大家仔細(xì)讀完上文的懶漢式單例 -- 雙重校驗(yàn)鎖 volatile版，會(huì)發(fā)現(xiàn)volatile關(guān)鍵字修飾變量后，我們反匯編后會(huì)發(fā)現(xiàn) 多出了lock前綴指令，lock前綴指令在匯編中 LOCK指令前綴功能如下：

被修飾的匯編指令成為"原子的"
與被修飾的匯編指令一起提供"內(nèi)存屏障"效果（lock指令可不是內(nèi)存屏障）

內(nèi)存屏障主要分類：

一類是可以強(qiáng)制讀取主內(nèi)存，強(qiáng)制刷新主內(nèi)存的內(nèi)存屏障，叫做Load屏障和Store屏障
另一類是禁止指令重排序的內(nèi)存屏障，主要有四個(gè)分別叫做LoadLoad屏障、StoreStore屏障、LoadStore屏障、StoreLoad屏障

這4個(gè)屏障具體作用：

LoadLoad屏障：（指令Load1; LoadLoad; Load2），在Load2及后續(xù)讀取操作要讀取的數(shù)據(jù)被訪問前，保證Load1要讀取的數(shù)據(jù)被讀取完畢。
LoadStore屏障：（指令Load1; LoadStore; Store2），在Store2及后續(xù)寫入操作被刷出前，保證Load1要讀取的數(shù)據(jù)被讀取完畢。
StoreStore屏障：（指令Store1; StoreStore; Store2），在Store2及后續(xù)寫入操作執(zhí)行前，保證Store1的寫入操作對(duì)其它處理器可見。
StoreLoad屏障：（指令Store1; StoreLoad; Load2），在Load2及后續(xù)所有讀取操作執(zhí)行前，保證Store1的寫入對(duì)所有處理器可見。它的開銷是四種屏障中最大的。在大多數(shù)處理器的實(shí)現(xiàn)中，這個(gè)屏障是個(gè)萬能屏障，兼具其它三種內(nèi)存屏障的功能

對(duì)于volatile操作而言，其操作步驟如下：

每個(gè)volatile寫入之前，插入一個(gè) StoreStore，寫入以后插入一個(gè) StoreLoad
每個(gè)volatile讀取之前，插入一個(gè) LoadLoad，讀取之后插入一個(gè) LoadStore

我們再總結(jié)以下，用volatile關(guān)鍵字修飾變量后，主要發(fā)生的變化有哪些？：

當(dāng)一個(gè)線程修改了 volatile 修飾的變量，當(dāng)修改后的變量寫回主內(nèi)存時(shí)，其他線程能立即看到最新值。即volatile關(guān)鍵字保證了并發(fā)的可見性

使用volatile關(guān)鍵字修飾共享變量后，每個(gè)線程要操作該變量時(shí)會(huì)從主內(nèi)存中將變量拷貝到本地內(nèi)存作為副本，但當(dāng)線程操作完變量副本，會(huì)強(qiáng)制將修改的值立即寫入主內(nèi)存中。
然后通過 CPU總線嗅探機(jī)制告知其他線程中該變量副本全部失效，（在CPU層，一個(gè)處理器的緩存回寫到內(nèi)存會(huì)導(dǎo)致其他處理器的緩存行無效），若其他線程需要該變量，必須重新從主內(nèi)存中讀取。

在x86的架構(gòu)中，volatile關(guān)鍵字底層含有l(wèi)ock前綴的指令，與被修飾的匯編指令一起提供"內(nèi)存屏障"效果，禁止了指令重排序，保證了并發(fā)的有序性

確保一些特定操作執(zhí)行的順序,讓cpu必須按照順序執(zhí)行指令，即當(dāng)指令重排序時(shí)不會(huì)把其后面的指令排到內(nèi)存屏障之前的位置，也不會(huì)把前面的指令排到內(nèi)存屏障的后面；即在執(zhí)行到內(nèi)存屏障這句指令時(shí)，在它前面的操作已經(jīng)全部完成；

volatile關(guān)鍵字無法保證原子性 ，更準(zhǔn)確地說是volatile關(guān)鍵字只能保證單操作的原子性， 比如x=1 ，但是無法保證復(fù)合操作的原子性，比如x++。

有人可能問賦值操作是原子操作，本來就是原子性的，用volatile修飾有什么意義？在Java 數(shù)據(jù)類型足夠大的情況下（在 Java 中 long 和 double 類型都是 64 位），寫入變量的過程分兩步進(jìn)行，就會(huì)發(fā)生 Word tearing （字分裂） 情況。 JVM 被允許將64位數(shù)量的讀寫作為兩個(gè)單獨(dú)的32位操作執(zhí)行，這增加了在讀寫過程中發(fā)生上下文切換的可能性，多線程的情況下可能會(huì)出現(xiàn)值會(huì)被破壞的情況

在缺乏任何其他保護(hù)的情況下，用 volatile 修飾符定義一個(gè) long 或 double 變量，可阻止字分裂情況