java中volatile关键字的含义

Posted 2020-09-25 朝北教室的风筝

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了java中volatile关键字的含义相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

volatile 与 synchronized 的比较(阿里面试官问的问题)

①volatile轻量级，只能修饰变量。synchronized重量级，还可修饰方法

②volatile只能保证数据的可见性，不能用来同步，因为多个线程并发访问volatile修饰的变量不会阻塞。

synchronized不仅保证可见性，而且还保证原子性，因为，只有获得了锁的线程才能进入临界区，从而保证临界区中的所有语句都全部执行。多个线程争抢synchronized锁对象时，会出现阻塞。

volatile本质是在告诉jvm当前变量在寄存器中的值是不确定的,需要从主存中读取,synchronized则是锁定当前变量,只有当前线程可以访问该变量,其他线程被阻塞住.
volatile仅能使用在变量级别,synchronized则可以使用在变量,方法.
volatile仅能实现变量的修改可见性,但不具备原子特性,而synchronized则可以保证变量的修改可见性和原子性.
volatile不会造成线程的阻塞,而synchronized可能会造成线程的阻塞.
volatile标记的变量不会被编译器优化,而synchronized标记的变量可以被编译器优化.

二，线程安全性

线程安全性包括两个方面，①可见性。②原子性。

仅仅使用volatile并不能保证线程安全性。而synchronized则可实现线程的安全性。

三，volatile关键字的可见性

要想理解volatile关键字，得先了解下JAVA的内存模型，Java内存模型的抽象示意图如下：

从图中可以看出：

①每个线程都有一个自己的本地内存空间--线程栈空间线程执行时，先把变量从主内存读取到线程自己的本地内存空间，然后再对该变量进行操作

②对该变量操作完后，在某个时间再把变量刷新回主内存

在Java中,为了保证多线程读写数据时保证数据的一致性,可以采用两种方式:

(a)如用synchronized关键字,或者使用锁对象.

(b)使用volatile关键字,用一句话概括volatile,它能够使变量在值发生改变时能尽快地让其他线程知道.

synchronized

所有加上synchronized 和块语句，在多线程访问的时候，同一时刻只能有一个线程能够用synchronized 修饰的方法或者代码块。

volatile

首先我们要先意识到有这样的现象,编译器为了加快程序运行的速度,对一些变量的写操作会先在寄存器或者是CPU缓存上进行,最后才写入内存.

而在这个过程,变量的新值对其他线程是不可见的.而volatile的作用就是使它修饰的变量的读写操作都必须在内存中进行!

用volatile修饰的变量，线程在每次使用变量的时候，都会读取变量修改后的最的值。volatile很容易被误用，用来进行原子性操作。

对于volatile修饰的变量，JVM虚拟机只保证从主内存加载到线程工作内存的值是最新的。

因此，就存在内存可见性问题，看一个示例程序：自己试过，确实这样：

 1 public class RunThread extends Thread {
 2      private boolean isRunning = true;           
 3                                                  
 4      public boolean isRunning() {                
 5          return isRunning;                       
 6      }                                           
 7                                                  
 8      public void setRunning(boolean isRunning) { 
 9          this.isRunning = isRunning;             
10      }                                           
11                                                  
12      @Override                                   
13      public void run() {                         
14          System.out.println("进入到run方法中了");
15          while (isRunning == true) {             
16          }                                       
17          System.out.println("线程执行完成了");   
18      }                                           
19  }                                               
20                                                  
21  public class Run {                              
22      public static void main(String[] args) {    
23          try {                                   
24              RunThread thread = new RunThread(); 
25              thread.start();                     
26              Thread.sleep(1000);                 
27              thread.setRunning(false);           
28          } catch (InterruptedException e) {      
29              e.printStackTrace();                
30          }                                       
31      }                                           
32  }

Run.java 第28行，main线程将启动的线程RunThread中的共享变量设置为false，从而想让RunThread.java 第14行中的while循环结束。

如果，我们使用JVM -server参数执行该程序时，RunThread线程并不会终止！从而出现了死循环！！

原因分析：

现在有两个线程，一个是main线程，另一个是RunThread。它们都试图修改第三行的 isRunning变量。按照JVM内存模型，main线程将isRunning读取到本地线程内存空间，修改后，再刷新回主内存。

而在JVM 设置成 -server模式运行程序时，线程会一直在私有堆栈中读取isRunning变量。因此，RunThread线程无法读到main线程改变的isRunning变量

从而出现了死循环，导致RunThread无法终止

解决方法，在第三行代码处用 volatile 关键字修饰即可。这里，它强制线程从主内存中取 volatile修饰的变量。

  volatile private boolean isRunning = true;

扩展一下，当多个线程之间需要根据某个条件确定哪个线程可以执行时，要确保这个条件在线程之间是可见的。因此，可以用volatile修饰。

综上，volatile关键字的作用是：使变量在多个线程间可见（可见性）

二，volatile关键字的非原子性

所谓原子性，就是某系列的操作步骤要么全部执行，要么都不执行。

比如，变量的自增操作 i++，分三个步骤：

①从内存中读取出变量 i 的值

②将 i 的值加1

③将加1 后的值写回内存

这说明 i++ 并不是一个原子操作。因为，它分成了三步，有可能当某个线程执行到了第②时被中断了，那么就意味着只执行了其中的两个步骤，没有全部执行。

关于volatile的非原子性，看个示例：

 1 public class MyThread extends Thread {
 2      public volatile static int count;                          
 3                                                                 
 4      private static void addCount() {                           
 5          for (int i = 0; i < 100; i++) {                        
 6              count++;                                           
 7          }                                                      
 8          System.out.println("count=" + count);                  
 9      }                                                          
10                                                                 
11      @Override                                                  
12      public void run() {                                        
13          addCount();                                            
14      }                                                          
15  }                                                              
16                                                                 
17  public class Run {                                             
18      public static void main(String[] args) {                   
19          MyThread[] mythreadArray = new MyThread[100];          
20          for (int i = 0; i < 100; i++) {                        
21              mythreadArray[i] = new MyThread();                 
22          }                                                      
23                                                                 
24          for (int i = 0; i < 100; i++) {                        
25              mythreadArray[i].start();                          
26          }                                                      
27      }                                                          
28  }

MyThread类第2行，count变量使用volatile修饰

Run.java 第20行 for循环中创建了100个线程，第25行将这100个线程启动去执行 addCount()，每个线程执行100次加1

期望的正确的结果应该是 100*100=10000，但是，实际上count并没有达到10000

原因是：volatile修饰的变量并不保证对它的操作（自增）具有原子性。（对于自增操作，可以使用JAVA的原子类AutoicInteger类保证原子自增）

比如，假设 i 自增到 5，线程A从主内存中读取i，值为5，将它存储到自己的线程空间中，执行加1操作，值为6。此时，CPU切换到线程B执行，从主从内存中读取变量i的值。由于线程A还没有来得及将加1后的结果写回到主内存，线程B就已经从主内存中读取了i，因此，线程B读到的变量 i 值还是5

相当于线程B读取的是已经过时的数据了，从而导致线程不安全性。这种情形在《Effective JAVA》中称之为“安全性失败”

综上，仅靠volatile不能保证线程的安全性。（原子性）

此外，volatile关键字修饰的变量不会被指令重排序优化。这里以《深入理解JAVA虚拟机》中一个例子来说明下自己的理解：

线程A执行的操作如下：

Map configOptions ;
char[] configText;

volatile boolean initialized = false;

//线程A首先从文件中读取配置信息,调用process...处理配置信息,处理完成了将initialized 设置为true
configOptions = new HashMap();
configText = readConfigFile(fileName);
processConfig(configText, configOptions);//负责将配置信息configOptions 成功初始化
initialized = true;

线程B等待线程A把配置信息初始化成功后，使用配置信息去干活.....线程B执行的操作如下：

while(!initialized)
{
    sleep();
}

//使用配置信息干活
doSomethingWithConfig();

如果initialized变量不用 volatile 修饰，在线程A执行的代码中就有可能指令重排序。

即：线程A执行的代码中的最后一行：initialized = true 重排序到了 processConfig方法调用的前面执行了，这就意味着：配置信息还未成功初始化，但是initialized变量已经被设置成true了。那么就导致线程B的while循环“提前”跳出，拿着一个还未成功初始化的配置信息去干活(doSomethingWithConfig方法)。。。。

因此，initialized 变量就必须得用 volatile修饰。这样，就不会发生指令重排序，也即：只有当配置信息被线程A成功初始化之后，initialized 变量才会初始化为true。综上，volatile 修饰的变量会禁止指令重排序（有序性）

在 java 垃圾回收整理一文中，描述了jvm运行时刻内存的分配。其中有一个内存区域是jvm虚拟机栈，每一个线程运行时都有一个线程栈，

线程栈保存了线程运行时候变量值信息。当线程访问某一个对象时候值的时候，首先通过对象的引用找到对应在堆内存的变量的值，然后把堆内存

变量的具体值load到线程本地内存中，建立一个变量副本，之后线程就不再和对象在堆内存变量值有任何关系，而是直接修改副本变量的值，

在修改完之后的某一个时刻（线程退出之前），自动把线程变量副本的值回写到对象在堆中变量。这样在堆中的对象的值就产生变化了。下面一幅图

描述这写交互

read and load 从主存复制变量到当前工作内存
use and assign 执行代码，改变共享变量值
store and write 用工作内存数据刷新主存相关内容

其中use and assign 可以多次出现

但是这一些操作并不是原子性，也就是在read load之后，如果主内存count变量发生修改之后，线程工作内存中的值由于已经加载，不会产生对应的变化，所以计算出来的结果会和预期不一样

对于volatile修饰的变量，jvm虚拟机只是保证从主内存加载到线程工作内存的值是最新的

例如假如线程1，线程2 在进行read,load 操作中，发现主内存中count的值都是5，那么都会加载这个最新的值

在线程1堆count进行修改之后，会write到主内存中，主内存中的count变量就会变为6

线程2由于已经进行read,load操作，在进行运算之后，也会更新主内存count的变量值为6

导致两个线程及时用volatile关键字修改之后，还是会存在并发的情况。

下面看一个例子，我们实现一个计数器，每次线程启动的时候，会调用计数器inc方法，对计数器进行加一

执行环境——jdk版本：jdk1.6.0_31 ，内存：3G cpu：x86 2.4G

public class Counter {
     public static int count = 0; 
    public static void inc() { 
        //这里延迟1毫秒，使得结果明显
        try {
            Thread.sleep(1);
        } catch (InterruptedException e) {
        } 
        count++;
    } 
    public static void main(String[] args) { 
        //同时启动1000个线程，去进行i++计算，看看实际结果 
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    Counter.inc();
                }
            }).start();
        } 
        //这里每次运行的值都有可能不同,可能为1000
        System.out.println("运行结果:Counter.count=" + Counter.count);
    }
}

输出为：

运行结果:Counter.count=995

实际运算结果每次可能都不一样，本机的结果为：运行结果:Counter.count=995，可以看出，在多线程的环境下，Counter.count并没有期望结果是100

很多人以为，这个是多线程并发问题，只需要在变量count之前加上volatile就可以避免这个问题，那我们在修改代码看看，看看结果是不是符合我们的期望

public class Counter { 
    public volatile static int count = 0; 
    public static void inc() { 
        //这里延迟1毫秒，使得结果明显
        try {
            Thread.sleep(1);
        } catch (InterruptedException e) {
        } 
        count++;    } 
    public static void main(String[] args) { 
        //同时启动1000个线程，去进行i++计算，看看实际结果
 
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    Counter.inc();
                }
            }).start();
        }
 
        //这里每次运行的值都有可能不同,可能为1000
        System.out.println("运行结果:Counter.count=" + Counter.count);
    }
}

运行结果：

运行结果:Counter.count=992

运行结果还是没有我们期望的1000

参考：java中volatile关键字的含义

以上是关于java中volatile关键字的含义的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

java中volatile关键字的含义