java多线程深入理解volitale关键字

Posted 2022-06-30 xingjiarong

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我们继续来讨论java的多线程编程，今天我们一起来学习一下java多线程中的另一个关键字——volitale。

一、java内存模型与多线程编程中的三个感念

1、原子性

原子性是指一些操作或者全都执行，要么或者全都不执行，整个操作作为一个整体是不可分割的，例如，一个银行中有两个账户A，B，现在要从A账户中转账500元到B账户，那么一共可以分为两个步骤：
1、从A账户取出500元：A = A - 500；
2、向B账户存入500元：B = B + 500；
这两个步骤作为一个整体，要么全部执行要么全部都不执行，如果只执行步骤一，那么A账户就会莫名其妙的丢失500元，B账户却什么都没有收到。

在Java中，对基本数据类型的变量的读取和赋值操作是原子性操作，即这些操作是不可被中断的，要么执行，要么不执行。

例如：

i = 3;
i = i+3;
i++;
i = j;

这四条语句只有第一条语句是原子的，是基本的赋值操作。其他的三条语句，看似是赋值的原子操作，实际上却是由多个步骤构成的。比如i++这条语句是由i，i+1,i=i+1这三条语句构成的，每一个语句都是原子的，但是合起来就不是原子的了。

2、可见性

可见性是指当多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了这个变量的值，其他线程能够立即看得到修改的值。例如：

//线程1
i = 10;
i = i+3;


//线程2
j=i;

在java中每个线程都有自己的线程栈，当一个线程执行需要数据时，会到内存中将需要的数据复制到自己的线程栈中，然后对线程栈中的副本进行操作，再操作完成后再将数据写回到内存中。

例如：线程1将i的值读到自己的线程栈中，然后对i进行了加3操作，但是这一操作并没有被及时的写回到内存中，所以线程2在执行时看到的i的值仍然是3，这就是可见性的问题。

java提供的volitale关键字可以保证数据的可见性。

3、有序性

有序性：即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。我们写代码会有一个先后的顺序，但是那仅仅是我们看到的顺序，但是当编译器编译时会进行指令重排，于是代码的执行顺序有可能和我们想的不一样。例如：

int i = 0;              
boolean flag = false; //语句3
i = 1;                //语句1  
flag = true;          //语句2

语句1和语句2的执行顺序改变一下对程序的结果并没有什么影响，所以这时可能会改变这两条指令的顺序。那么语句2会不会在语句3之前执行呢，答案是不会呢，因为语句2用到了语句3声明的变量，这时编译器会限制语句的执行顺序来保证程序的正确性。

在单线程中，改变指令的顺序可能不会产生不良后果，但是在多线程中就不一定了。例如：

//线程1:
context = loadContext();   //语句1
inited = true;             //语句2

//线程2:
while(!inited )
  sleep()

doSomethingwithconfig(context);

由于语句1和语句2没有数据依赖性，所以编译器可能会将两条指令重新排序，如果先执行语句2，这时线程1被阻塞，然后线程2的while循环条件不满足，接着往下执行，但是由于context没有赋值，于是会产生错误。

二、volitale关键字的作用

volitale关键字保证了可见性和一定程度上的有序性，但是不能保证原子性。

1、volitale关键字保证可见性

一旦一个共享变量（类的成员变量、类的静态成员变量）被volatile修饰之后，那么就具备了两层语义：

　　1）保证了不同线程对这个变量进行操作时的可见性，即一个线程修改了某个变量的值，这新值对其他线程来说是立即可见的。

　　2）禁止进行指令重排序。

　　先看一段代码，假如线程1先执行，线程2后执行：

//线程1
boolean stop = false;
while(!stop)
    doSomething();


//线程2
stop = true;

　　这段代码是很典型的一段代码，很多人在中断线程时可能都会采用这种标记办法。但是事实上，这段代码会完全运行正确么？即一定会将线程中断么？不一定，也许在大多数时候，这个代码能够把线程中断，但是也有可能会导致无法中断线程（虽然这个可能性很小，但是只要一旦发生这种情况就会造成死循环了）。

　　下面解释一下这段代码为何有可能导致无法中断线程。在前面已经解释过，每个线程在运行过程中都有自己的工作内存，那么线程1在运行的时候，会将stop变量的值拷贝一份放在自己的工作内存当中。

　　那么当线程2更改了stop变量的值之后，但是还没来得及写入主存当中，线程2转去做其他事情了，那么线程1由于不知道线程2对stop变量的更改，因此还会一直循环下去。

　　但是用volatile修饰之后就变得不一样了：

　　第一：使用volatile关键字会强制将修改的值立即写入主存；

　　第二：使用volatile关键字的话，当线程2进行修改时，会导致线程1的工作内存中缓存变量stop的缓存行无效；

　　第三：由于线程1的工作内存中缓存变量stop的缓存行无效，所以线程1再次读取变量stop的值时会去主存读取。

　　那么在线程2修改stop值时（当然这里包括2个操作，修改线程2工作内存中的值，然后将修改后的值写入内存），会使得线程1的工作内存中缓存变量stop的缓存行无效，然后线程1读取时，发现自己的缓存行无效，它会等待缓存行对应的主存地址被更新之后，然后去对应的主存读取最新的值。

　　那么线程1读取到的就是最新的正确的值。

2、volitale关键字不能保证原子性

从上面知道volatile关键字保证了操作的可见性，但是volatile能保证对变量的操作是原子性吗？

　　下面看一个例子：
　　

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)  //保证前面的线程都执行完
            Thread.yield();
        System.out.println(test.inc);
    

　　大家想一下这段程序的输出结果是多少？也许有些朋友认为是10000。但是事实上运行它会发现每次运行结果都不一致，都是一个小于10000的数字。

　　可能有的朋友就会有疑问，不对啊，上面是对变量inc进行自增操作，由于volatile保证了可见性，那么在每个线程中对inc自增完之后，在其他线程中都能看到修改后的值啊，所以有10个线程分别进行了1000次操作，那么最终inc的值应该是1000*10=10000。

　　这里面就有一个误区了，volatile关键字能保证可见性没有错，但是上面的程序错在没能保证原子性。可见性只能保证每次读取的是最新的值，但是volatile没办法保证对变量的操作的原子性。

　　在前面已经提到过，自增操作是不具备原子性的，它包括读取变量的原始值、进行加1操作、写入工作内存。那么就是说自增操作的三个子操作可能会分割开执行，就有可能导致下面这种情况出现：

　　假如某个时刻变量inc的值为10，

　　线程1对变量进行自增操作，线程1先读取了变量inc的原始值，然后线程1被阻塞了；

　　然后线程2对变量进行自增操作，线程2也去读取变量inc的原始值，由于线程1只是对变量inc进行读取操作，而没有对变量进行修改操作，所以不会导致线程2的工作内存中缓存变量inc的缓存行无效，所以线程2会直接去主存读取inc的值，发现inc的值时10，然后进行加1操作，并把11写入工作内存，最后写入主存。

　　然后线程1接着进行加1操作，由于已经读取了inc的值，注意此时在线程1的工作内存中inc的值仍然为10，所以线程1对inc进行加1操作后inc的值为11，然后将11写入工作内存，最后写入主存。

　　那么两个线程分别进行了一次自增操作后，inc只增加了1。

　　解释到这里，可能有朋友会有疑问，不对啊，前面不是保证一个变量在修改volatile变量时，会让缓存行无效吗？然后其他线程去读就会读到新的值，对，这个没错。这个就是上面的happens-before规则中的volatile变量规则，但是要注意，线程1对变量进行读取操作之后，被阻塞了的话，并没有对inc值进行修改。然后虽然volatile能保证线程2对变量inc的值读取是从内存中读取的，但是线程1没有进行修改，所以线程2根本就不会看到修改的值。

　　根源就在这里，自增操作不是原子性操作，而且volatile也无法保证对变量的任何操作都是原子性的。

3、volitale关键字在一定程度上保证有序性

在前面提到volatile关键字能禁止指令重排序，所以volatile能在一定程度上保证有序性。

　　volatile关键字禁止指令重排序有两层意思：

　　1）当程序执行到volatile变量的读操作或者写操作时，在其前面的操作的更改肯定全部已经进行，且结果已经对后面的操作可见；在其后面的操作肯定还没有进行；

　　2）在进行指令优化时，不能将在对volatile变量访问的语句放在其后面执行，也不能把volatile变量后面的语句放到其前面执行。

　　可能上面说的比较绕，举个简单的例子：

//x、y为非volatile变量
//flag为volatile变量

x = 2;        //语句1
y = 0;        //语句2
flag = true;  //语句3
x = 4;         //语句4
y = -1;       //语句5

　　由于flag变量为volatile变量，那么在进行指令重排序的过程的时候，不会将语句3放到语句1、语句2前面，也不会讲语句3放到语句4、语句5后面。但是要注意语句1和语句2的顺序、语句4和语句5的顺序是不作任何保证的。

　　并且volatile关键字能保证，执行到语句3时，语句1和语句2必定是执行完毕了的，且语句1和语句2的执行结果对语句3、语句4、语句5是可见的。

　　那么我们回到前面举的一个例子：

//线程1:
context = loadContext();   //语句1
inited = true;             //语句2

//线程2:
while(!inited )
  sleep()

doSomethingwithconfig(context);

　　前面举这个例子的时候，提到有可能语句2会在语句1之前执行，那么久可能导致context还没被初始化，而线程2中就使用未初始化的context去进行操作，导致程序出错。

　　这里如果用volatile关键字对inited变量进行修饰，就不会出现这种问题了，因为当执行到语句2时，必定能保证context已经初始化完毕。

参考：http://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3920373.html