volatile介紹

Java 語(yǔ)言規(guī)范 volatile 關(guān)鍵字定義：Java 編程語(yǔ)言允許線程訪問(wèn)共享變量，為了確保共享變量能被準(zhǔn)確和一致地更新，線程應(yīng)該確保通過(guò)排他鎖單獨(dú)獲得這個(gè)變量。

volatile通常被比喻成"輕量級(jí)的synchronized"，也是Java并發(fā)編程中比較重要的一個(gè)關(guān)鍵字。

和synchronized不同，volatile是一個(gè)變量修飾符，只能用來(lái)修飾變量。無(wú)法修飾方法及代碼塊等。

volatile的用法比較簡(jiǎn)單，只需要在聲明一個(gè)可能被多線程同時(shí)訪問(wèn)的變量時(shí)，使用volatile修飾就可以了。

private volatile static Singleton singleton;  

volatile的原理

每個(gè)線程有自己的工作內(nèi)存，線程的工作內(nèi)存中保存了被該線程所使用到的變量（這些變量是從主內(nèi)存中拷貝而來(lái)）。線程對(duì)變量的所有操作（讀取，賦值，抹除）都必須在工作內(nèi)存中進(jìn)行。不同線程之間也無(wú)法直接訪問(wèn)對(duì)方工作內(nèi)存中的變量，線程間變量值的傳遞均需要通過(guò)主內(nèi)存來(lái)完成。

對(duì)于volatile變量，當(dāng)對(duì)volatile變量進(jìn)行寫操作的時(shí)候，JVM會(huì)向處理器發(fā)送一條lock前綴的指令，將這個(gè)緩存中的變量回寫到主存中。

但是就算寫回到主存，如果其他處理器緩存的值還是舊的，再執(zhí)行計(jì)算操作就會(huì)有問(wèn)題，所以在多處理器下，為了保證各個(gè)處理器的緩存是一致的，就會(huì)實(shí)現(xiàn)緩存一致性協(xié)議。

緩存一致性協(xié)議：每個(gè)處理器通過(guò)嗅探在總線上傳播的數(shù)據(jù)來(lái)檢查自己緩存的值是不是過(guò)期了，當(dāng)處理器發(fā)現(xiàn)自己緩存行對(duì)應(yīng)的內(nèi)存地址被修改，就會(huì)將當(dāng)前處理器的緩存行設(shè)置成無(wú)效狀態(tài)，當(dāng)處理器要對(duì)這個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改操作的時(shí)候，會(huì)強(qiáng)制重新從系統(tǒng)內(nèi)存里把數(shù)據(jù)讀到處理器緩存里。

所以，如果一個(gè)變量被volatile所修飾的話，在每次數(shù)據(jù)變化之后，其值都會(huì)被強(qiáng)制刷入主存。而其他處理器的緩存由于遵守了緩存一致性協(xié)議，也會(huì)把這個(gè)變量的值從主存加載到自己的緩存中。這就保證了一個(gè)volatile在并發(fā)編程中，其值在多個(gè)緩存中是可見的。

volatile與可見性

可見性是指當(dāng)多個(gè)線程訪問(wèn)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得到修改的值。

Java內(nèi)存模型規(guī)定了所有的變量都存儲(chǔ)在主內(nèi)存中，每條線程還有自己的工作內(nèi)存，線程的工作內(nèi)存中保存了該線程中使用到的變量的主內(nèi)存副本拷貝，線程對(duì)變量的所有操作都必須在工作內(nèi)存中進(jìn)行，而不能直接讀寫主內(nèi)存。不同的線程之間也無(wú)法直接訪問(wèn)對(duì)方工作內(nèi)存中的變量，線程間變量的傳遞均需要自己的工作內(nèi)存和主存之間進(jìn)行數(shù)據(jù)同步進(jìn)行。所以，就可能出現(xiàn)線程1改了某個(gè)變量的值，但是線程2不可見的情況。

前面的關(guān)于volatile的原理中介紹過(guò)了，Java中的volatile關(guān)鍵字提供了一個(gè)功能，那就是被其修飾的變量在被修改后可以立即同步到主內(nèi)存，被其修飾的變量在每次使用之前都從主內(nèi)存刷新。因此，可以使用volatile來(lái)保證多線程操作時(shí)變量的可見性。

JVM對(duì) volatile 的描述如下描述中寫著，如果字節(jié)碼中有用VOLATILE修飾的，代表這個(gè)變量不能被線程所緩存。

可以通過(guò)一下代碼進(jìn)行驗(yàn)證，你會(huì)發(fā)現(xiàn)該程序不會(huì)結(jié)束，但是如果你對(duì)flag加上了volatile修飾的話，結(jié)果就會(huì)不一樣了：

    private static boolean flag = false;
    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
        	flag = true;
    	}).start();
        while (!aBoolean) {
        }
        System.out.println("end");
    }
    private static void run() 

volatile與有序性

有序性即程序執(zhí)行的順序按照代碼的先后順序執(zhí)行。

普通的變量?jī)H僅會(huì)保證在該方法的執(zhí)行過(guò)程中所依賴的賦值結(jié)果的地方都能獲得正確的結(jié)果，而不能保證變量的賦值操作的順序與程序代碼中的執(zhí)行順序一致。由于處理器優(yōu)化和指令重排等，CPU還可能對(duì)輸入代碼進(jìn)行亂序執(zhí)行，比如load->add->save 有可能被優(yōu)化成load->save->add ,這就是有序性問(wèn)題。

volatile可以禁止指令重排，這就保證了代碼的程序會(huì)嚴(yán)格按照代碼的先后順序執(zhí)行。這就保證了有序性。被volatile修飾的變量的操作，會(huì)嚴(yán)格按照代碼順序執(zhí)行，load->add->save 的執(zhí)行順序就是：load->add->save 。

重排序

為什么要有重排序呢？

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是為了提升執(zhí)行效率。

為什么能提升執(zhí)行效率呢？重排序可以提高程序的運(yùn)行效率，但是必須遵循 as-if-serial 語(yǔ)義。as-if-serial 語(yǔ)義是什么呢？簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是不管你怎么重排序，你必須保證不管怎么重排序，單線程下程序的執(zhí)行結(jié)果不能被改變（至于多線程就管不到了）。

內(nèi)存屏障

如何保證CPU不會(huì)對(duì)這些操作進(jìn)行重排序呢？

JVM是通過(guò)插入內(nèi)存屏障保證的，JMM 規(guī)范中定義的內(nèi)存屏障分為讀（load）屏障和寫（Store）屏障，排列組合就有了四種屏障。對(duì)于 volatile 操作，JMM 內(nèi)存屏障插入策略：

• 在每個(gè) volatile 寫操作的前面插入一個(gè) StoreStore 屏障
• 在每個(gè) volatile 寫操作的后面插入一個(gè) StoreLoad 屏障
• 在每個(gè) volatile 讀操作的后面插入一個(gè) LoadLoad 屏障
• 在每個(gè) volatile 讀操作的后面插入一個(gè) LoadStore 屏障

而在 x86 處理器中，有三種方法可以實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn) StoreLoad 屏障的效果，分別為：

• mfence 指令：能實(shí)現(xiàn)全能型屏障，具備 lfence 和 sfence 的能力。
• cpuid 指令：cpuid 操作碼是一個(gè)面向 x86 架構(gòu)的處理器補(bǔ)充指令，它的名稱派生自 CPU 識(shí)別，作用是允許軟件發(fā)現(xiàn)處理器的詳細(xì)信息。
• lock 指令前綴：總線鎖。lock 前綴只能加在一些特殊的指令前面。

lock指令

實(shí)際上 HotSpot 關(guān)于 volatile 的實(shí)現(xiàn)就是使用的 lock 指令，只在 volatile 標(biāo)記的地方加上帶 lock 前綴指令操作，并沒有參照 JMM 規(guī)范的屏障設(shè)計(jì)。

lock 前綴指令實(shí)際上相當(dāng)于一個(gè)內(nèi)存屏障（也成內(nèi)存柵欄），并提供以下三個(gè)功能：

• 它確保指令重排序時(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；
• 它會(huì)強(qiáng)制將對(duì)緩存的修改操作立即寫入主存；
• 如果是寫操作，它會(huì)導(dǎo)致其他 CPU 中對(duì)應(yīng)的緩存行無(wú)效。

volatile與原子性

原子性是指一個(gè)操作是不可中斷的，要全部執(zhí)行完成，要不就都不執(zhí)行。

線程是CPU調(diào)度的基本單位。CPU有時(shí)間片的概念，會(huì)根據(jù)不同的調(diào)度算法進(jìn)行線程調(diào)度。當(dāng)一個(gè)線程獲得時(shí)間片之后開始執(zhí)行，在時(shí)間片耗盡之后，就會(huì)失去CPU使用權(quán)。所以在多線程場(chǎng)景下，由于時(shí)間片在線程間輪換，就會(huì)發(fā)生原子性問(wèn)題。

為了保證原子性，需要通過(guò)字節(jié)碼指令monitorenter和monitorexit，但是volatile和這兩個(gè)指令之間是沒有任何關(guān)系的。所以，volatile是不能保證原子性的。

在以下兩個(gè)場(chǎng)景中可以使用volatile來(lái)代替synchronized：

• 運(yùn)算結(jié)果并不依賴變量的當(dāng)前值，或者能夠確保只有單一的線程會(huì)修改變量的值。
• 變量不需要與其他狀態(tài)變量共同參與不變約束。

除以上場(chǎng)景外，都需要使用其他方式來(lái)保證原子性，如synchronized或者JUC。

我們來(lái)看一下volatile和原子性的例子：

public class Test {
    public volatile int inc = 0;
    public void increase() {
        inc++;
    }
    public static void main(String[] args) {
        final Test test = new Test();
        for(int i=0;i<10;i++){
            new Thread(){
                public void run() {
                    for(int j=0;j<1000;j++)
                        test.increase();
                };
            }.start();
        }
        while(Thread.activeCount()>1)  //保證前面的線程都執(zhí)行完
            Thread.yield();
        System.out.println(test.inc);
    }
}

以上代碼比較簡(jiǎn)單，就是創(chuàng)建10個(gè)線程，然后分別執(zhí)行1000次j++操作。正常情況下，程序的輸出結(jié)果應(yīng)該是10000，但是，多次執(zhí)行的結(jié)果都小于10000。這其實(shí)就是volatile無(wú)法滿足原子性的原因。

對(duì)于一個(gè)簡(jiǎn)單的i++操作，一共有三個(gè)步驟：load , add ,save 。共享變量就會(huì)被多個(gè)線程同時(shí)進(jìn)行操作，這樣讀改寫操作就不是原子的，操作完之后共享變量的值可以會(huì)和期望的不一致。

DCL與volatile

為什么雙重校驗(yàn)鎖實(shí)現(xiàn)的單例中，已經(jīng)使用了synchronized，為什么還需要volatile？

public class Singleton {  
    private volatile static Singleton singleton;  
    private Singleton (){}  
    public static Singleton getSingleton() {  
    	if (singleton == null) {  
       	 synchronized (Singleton.class) {  
       		 if (singleton == null) {  
          	  singleton = new Singleton();  
        	}  
        }  
      }  
      return singleton;  
    }  
}  

因?yàn)閟ingleton = new Singleton()不是一個(gè)原子操作，大概要經(jīng)過(guò)這幾個(gè)步驟：

• 分配一塊內(nèi)存空間
• 調(diào)用構(gòu)造器，初始化實(shí)例
• singleton指向分配的內(nèi)存空間

由于cpu重排序問(wèn)題，導(dǎo)致實(shí)際執(zhí)行步驟可能是這樣的：

• 申請(qǐng)一塊內(nèi)存空間
• singleton指向分配的內(nèi)存空間
• 調(diào)用構(gòu)造器，初始化實(shí)例

在singleton指向分配的內(nèi)存空間之后，singleton就不為空了。

但是在沒有調(diào)用構(gòu)造器初始化實(shí)例之前，這個(gè)對(duì)象還處于半初始化狀態(tài)，在這個(gè)狀態(tài)下，實(shí)例的屬性都還是默認(rèn)屬性，這個(gè)時(shí)候如果有另一個(gè)線程調(diào)用getSingleton()方法時(shí)，會(huì)拿到這個(gè)未初始化的對(duì)象，導(dǎo)致出錯(cuò)。 而加 volatile 修飾之后，就會(huì)禁止重排序，這樣就能保證在對(duì)象初始化完了之后才把singleton指向分配的內(nèi)存空間，杜絕了一些不可控錯(cuò)誤的產(chǎn)生。volatile 提供了 happens-before 保證，Happens-before 主要是解決前一個(gè)操作的結(jié)果必須對(duì)后一個(gè)操作可見。

到此這篇關(guān)于Java中的volatile關(guān)鍵字原理深入解析的文章就介紹到這了,更多相關(guān)volatile關(guān)鍵字原理內(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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