前言

在任何編程語(yǔ)言中，多線(xiàn)程操作同一個(gè)數(shù)據(jù)都會(huì)帶來(lái)數(shù)據(jù)不一致的問(wèn)題，這是由于在多線(xiàn)程的情況下CPU分配時(shí)間片并不是按照線(xiàn)程創(chuàng)建順序去分配的，具有一定的隨機(jī)性。

一個(gè)任務(wù)被首先創(chuàng)建出來(lái)，并不意味著這個(gè)特定的任務(wù)一定會(huì)首先執(zhí)行，為了解決并發(fā)狀態(tài)下數(shù)據(jù)不一致的問(wèn)題，就有了Lock、synchronized、volatile等等一系列的解決方法。

線(xiàn)程對(duì)資源的感知

我們現(xiàn)在有一個(gè)游戲的充錢(qián)系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)只有兩種功能：充錢(qián)、顯示余額。我們希望這個(gè)系統(tǒng)的功能是這樣的，如果玩家一旦充錢(qián)，賬戶(hù)變化立刻會(huì)被感知到并輸出出來(lái)。假設(shè)賬戶(hù)里有0元：

public class VolatileTest {
   final static int MAX = 500;    //最多500元作為退出條件
    static int deposit = 0;       //初始余額
    public static void main(String[] args) {
        //顯示賬戶(hù)余額線(xiàn)程
        new Thread(() -> {
            int calculate = deposit;
            while (calculate < MAX) {
                if(calculate!=deposit){ //當(dāng)發(fā)現(xiàn)本地變量和全局變量不一致時(shí)輸出
                    System.out.println("當(dāng)前余額" + deposit);
                    calculate = deposit;
                }
            }
        }).start();
        //充錢(qián)線(xiàn)程，每次充錢(qián)100元
        new Thread(() -> {
            int calculate = deposit;
            while (calculate < MAX) {
                calculate += 100; //改變金額
                System.out.println("充錢(qián)100元，當(dāng)前總額" + calculate);
                deposit = calculate; //回寫(xiě)給全局變量
                try {
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }).start();
    }
}

運(yùn)行程序，拿到下面的結(jié)果：

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，我們的感知線(xiàn)程除了第一次感知到變化外，后續(xù)的充錢(qián)都沒(méi)有感知到。但是線(xiàn)程一直再運(yùn)行并沒(méi)有停下。

我們接著分析代碼邏輯，充錢(qián)線(xiàn)程之所以不再打印了是因?yàn)槌隽顺溴X(qián)最大限制while (calculate < MAX)，那么理論上來(lái)說(shuō)deposit現(xiàn)在已經(jīng)是500了。

但是在顯示余額的線(xiàn)程上，并沒(méi)有感知到deposit被修改，仍然認(rèn)為while (calculate < MAX)條件依然成立。

在這個(gè)顯示線(xiàn)程中calculate==deposit==100，所以顯示線(xiàn)程會(huì)一直空轉(zhuǎn)，直到把CPU資源消耗完畢崩潰才能停下來(lái)，這顯然是一個(gè)非常壞的結(jié)果。

如何修改程序呢，其實(shí)也非常簡(jiǎn)單，只要在初始余額變量上加上volatile關(guān)鍵字即可。

static volatile int deposit = 0;       //初始余額，加上關(guān)鍵字

重新運(yùn)行輸出結(jié)果，這次不僅程序運(yùn)行符合預(yù)期，而且程序順利執(zhí)行完畢。每次充錢(qián)的線(xiàn)程執(zhí)行完畢，查詢(xún)余額的線(xiàn)程立刻感知到并且執(zhí)行了相應(yīng)的邏輯，整個(gè)程序邏輯上執(zhí)行順利，結(jié)果符合預(yù)期。

問(wèn)題分析

之所以會(huì)發(fā)生這樣的問(wèn)題，其實(shí)和目前的Java的內(nèi)存模型有關(guān)系。我們知道現(xiàn)在的主機(jī)一般都會(huì)在CPU和主存之間方置緩存，用來(lái)緩沖CPU過(guò)快的執(zhí)行速度與主存相對(duì)較慢的IO速度。其實(shí)Java的線(xiàn)程也有類(lèi)似的結(jié)果，只不過(guò)緩存被本地工作空間代替了，類(lèi)似于下圖。但是要說(shuō)明一點(diǎn)，我們可以看作每個(gè)線(xiàn)程有自己的私有空間(local workspace)和共享空間(main memory) ，實(shí)際上Java并沒(méi)有在物理內(nèi)存上這樣劃出來(lái)一塊，這只是Java執(zhí)行中的一個(gè)概念模型。物理上仍然是CPU – Cache – Memory這樣的結(jié)構(gòu)。

在這種結(jié)構(gòu)中，主存中的數(shù)據(jù)每個(gè)線(xiàn)程都可以訪(fǎng)問(wèn)，但是本地工作空間只有本地線(xiàn)程可以訪(fǎng)問(wèn)。

而本地工作空間中方置的東西就是本地變量和主存資源副本，因此線(xiàn)程并不能直接修改修改主存的數(shù)據(jù)，只能讀取到工作空間中，然后由線(xiàn)程拿到CPU中修改。修改完成后，再?gòu)乃接泄ぷ骺臻g刷新回主存。這樣所有的線(xiàn)程就可以拿到最新的數(shù)據(jù)到自己的工作空間里進(jìn)行操作，這個(gè)邏輯在單線(xiàn)程下自然沒(méi)有問(wèn)題。

但是多線(xiàn)程的時(shí)候，就會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)不一致的問(wèn)題，比如Thread 0在私有工作空間中做了deposit變量修改，但是還沒(méi)有刷新到主存中的時(shí)候。

Thread 1就把主存中的deposit變量copy到了自己的工作空間進(jìn)行操作，那么Thread 1用的就是舊的數(shù)據(jù)，計(jì)算的結(jié)果也就出現(xiàn)了偏差，后來(lái)再經(jīng)過(guò)各個(gè)線(xiàn)程的互相刷新共享空間的數(shù)據(jù)，偏差就會(huì)越來(lái)越大。

volatile的原理

根據(jù)我們寫(xiě)的例子來(lái)看，volatile關(guān)鍵字加上以后，就可以保證當(dāng)某個(gè)線(xiàn)程對(duì)主存中數(shù)據(jù)修改的時(shí)候，其他線(xiàn)程能夠感知到這種修改，因此可以基于最新的版本進(jìn)行后續(xù)的操作。

所以volatile關(guān)鍵字應(yīng)該具有以下用作：

保證數(shù)據(jù)的可見(jiàn)性：

某個(gè)線(xiàn)程對(duì)共享數(shù)據(jù)的修改，其他數(shù)據(jù)能夠立刻感知到，這點(diǎn)是如何做到的呢？首先要先引入一個(gè)知識(shí)點(diǎn)：緩存的一致性協(xié)議(MESI)。

這個(gè)協(xié)議會(huì)使得：

讀操作，CPU讀取cache中的數(shù)據(jù)時(shí)，不做任何鎖操作。

寫(xiě)操作，當(dāng)CPU將要修改某個(gè)共享變量的時(shí)候，CPU會(huì)發(fā)出信號(hào)，通知其他的CPU將該變量在其他中緩存中副本所對(duì)應(yīng)的cache line置為無(wú)效，這也就導(dǎo)致了其他CPU的緩存中該變量失效，只能再次從主存中讀取。

有了這個(gè)前提知識(shí)以后，有些讀者一定想到了：一旦給某個(gè)共享變量加上volatile關(guān)鍵字以后，當(dāng)某個(gè)線(xiàn)程要修改共享變量的時(shí)候，會(huì)通知其他線(xiàn)程，來(lái)把其他線(xiàn)程的私有空間中的該共享變量的副本的cache line置為無(wú)效，使得其他線(xiàn)程再次去主存中讀取最新的值，其對(duì)應(yīng)的硬件原理就是上面所說(shuō)的MESI協(xié)議。通過(guò)這樣的辦法，保證了共享變量在各個(gè)線(xiàn)程中的修改可見(jiàn)性，使得所有的線(xiàn)程對(duì)共享變量的修改具有感知。但是重新讀取并不能可以保證一定可以讀取到最新的數(shù)據(jù)，因此volatile還必須要有更多的功能。

保證線(xiàn)程的有序性：

程序在編譯階段和指令優(yōu)化階段會(huì)對(duì)執(zhí)行的指令進(jìn)行重排序，也就是說(shuō)我們寫(xiě)的代碼順序，并不是程序的執(zhí)行順序。這樣做的目的是為了提高CPU的執(zhí)行效率和吞吐量，比如賦值指令的執(zhí)行效率明顯會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于運(yùn)算指令，那么在重排序階段就會(huì)把賦值指令放在一起，運(yùn)算指令放在一起，以提高總體的效率。這樣做在單線(xiàn)程狀態(tài)下沒(méi)有問(wèn)題，但是在多線(xiàn)程狀態(tài)下，一個(gè)變量的先賦值后運(yùn)算和先運(yùn)算后賦值就可能會(huì)產(chǎn)生很明顯的區(qū)別。但是對(duì)于volatile修飾的變量有這樣一個(gè)規(guī)則來(lái)保證程序執(zhí)行的順序：

• volatile之前的代碼不能調(diào)整到它的后面。
• volatile之后的代碼不能調(diào)整到它的前面。
• volatile修飾的代碼，不可以調(diào)整順序。

最終是如何實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能的呢？當(dāng)解析到被volatile修飾的變量的時(shí)候，在匯編代碼上該變量會(huì)有一個(gè)Lock標(biāo)記，表示該變量被鎖住。也就是說(shuō)想某一個(gè)線(xiàn)程使用共享變量的時(shí)候，該變量就會(huì)被鎖住。其他線(xiàn)程由于MESI導(dǎo)致必須去主存哪取新數(shù)據(jù)的時(shí)候，會(huì)因?yàn)檫@里有Lock而阻塞，直到這個(gè)線(xiàn)程釋放該共享變量。分析到最后其實(shí)volatile依然是由鎖構(gòu)建的功能，但是這個(gè)鎖也是一個(gè)輕量級(jí)的鎖。

注意：volatile即使具有上述這些作用，但是并不具有原子性。

volatile的應(yīng)用

說(shuō)了半天volatile關(guān)鍵字的原理，這里列舉幾個(gè)常用的場(chǎng)景。

Flag標(biāo)志：作為控制某個(gè)功能或者分支的flag標(biāo)志使用。

public class VolatileTest implements Runnable{
    private volatile boolean flag=false;
    @Override
    public void run() {
        if (flag){
            //...code
        }else{
            //...code
        }
    }
    public void close(){
        flag=false;
    }
}

雙重檢查鎖定：Double Checked Locking(DCL)，一般用在單例模式上。

public class VolatileTest2 {
    private volatile static VolatileTest2 vt;
    public static VolatileTest2 getInstance(){
        if(Objects.isNull(vt)){
            vt=new VolatileTest2();
        }
        return vt;
    }
}

程序的執(zhí)行順序必須保證：如果有場(chǎng)景中必須要求某些變量在程序的限定位置出現(xiàn)，而且不能隨意變更執(zhí)行順序，那么可以對(duì)這些變量加上volatile去保證，這些代碼的執(zhí)行順序是完全按照代碼所寫(xiě)的順序執(zhí)行的。

volatile與synchronized的區(qū)別

之前的博客已經(jīng)對(duì)synchronized做了講解，我們知道synchronized是加鎖用的，那么volatile和synchronized有什么區(qū)別呢？我們用一個(gè)表格做個(gè)對(duì)比。

總結(jié)

本文的主要內(nèi)容就在于要理解volatile的緩存的一致性協(xié)議導(dǎo)致的共享變量可見(jiàn)性，以及volatile在解析成為匯編語(yǔ)言的時(shí)候?qū)ψ兞考渔i兩塊理論內(nèi)容。

到此volatile關(guān)鍵字的基本內(nèi)容告一段落，謝謝大家。

到此這篇關(guān)于Java中的volatile實(shí)現(xiàn)機(jī)制詳細(xì)解析的文章就介紹到這了,更多相關(guān)volatile實(shí)現(xiàn)機(jī)制內(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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