小编带您Volatile的详解

Posted 2021-01-01

volatile关键字修饰的共享变量主要有两个特点：1.保证了不同线程访问的内存可见性 2.禁止重排序
在说内存可见性和有序性之前，我们有必要看一下Java的内存模型(注意和JVM内存模型的区分)
为什么要有java内存模型？
首先我们知道内存访问和CPU指令在执行速度上相差非常大，完全不是一个数量级，为了使得java在各个平台上运行的差距减少，哪些搞处理器的大佬就在CPU上加了各种高速缓存，来减少内存操作和CPU指令的执行速度差距。而Java在java层面又进行了一波抽象，java内存模型将内存分为工作内存和主存，每个线程从主存load数据到工作内存，将load的数据赋值给工作内存上的变量，然后该工作内存对应的线程进行处理，处理结果在赋值给其工作内存，然后再将数据赋值给主存中的变量(这时候需要有一张图)。
小编带您Volatile的详解
小编带您Volatile的详解
使用工作内存和主存虽然加快了处理速度，但是也带来了一些问题，比如下面这个例子
1 int i = 1;
2 i = i+1;
当在单线程情况下，i最后的值一定是2；但是在两个线程情况下一定是3吗？那就未必了。当线程A读取i的值为1，load到其工作内存，这时CPU切换至线程B，线程B读取i的值也是1，然后对加1然后save到主存，这时线程A也对i进行加1，也save回主存，但最终i的值为2。如果写操作比较慢，你读到的值还有可能是1，这就是缓存不一致的问题。JMM就是围绕着原子性，内存可见性，有序性这三个特征建立的。通过解决这个三个特征来解决缓存不一致的问题。而volatile主要针对于内存可见性和有序性。
原子性
原子性是指一个操作要么成功，那么失败，没有中间状态，比如i=1，直接读取i的值，这肯定是原子操作；但是i++，看似好像是，其实需要先读取i的值，然后+1，最后在赋值给i，需要三个步骤，这就不是原子性操作。在JDK1.5引入了boolean、long、int对应的原子性类AtomicBoolean、AtomicLong、AtomicInteger，他们可以提供原子性操作。
内存可见性
具有内存可见性的变量在被线程修改以后，会立刻刷新到主存并使其他线程的缓存行上的数据失效。
volatile修饰的变量具有内存可见性，主要表现为：当写一个volatile变量时，JMM会将该线程对应的工作内存中的共享变量立即刷新到主存；当读一个volatile变量时，JMM会把该线程对应的工作内存中的值置为无效，然后从主存中进行读取，但是如果没有线程对该共享变量进行修改，则不会触发该操作。
有序性
JMM是允许处理器和编译器对指令进行重排序的，但规定了as-if-serial，即无论怎么重排序，最终结果都是一样的。比如下面这段代码：
1 int weight = 10; //A
2 int high = 5; //B
3 int area = high weight high; //C
这段代码中可以按照A-->B-->C执行，也可以按照B-->A-->C执行，因为A和B是相互独立的，而C依赖于A、B，所以C不能排到A或B的前面。JMM保证了单线程的重排序，但是在多线程中就容易出现问题。比如下面这种情况
小编带您Volatile的详解
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1 boolean flag = false;
2 int a = 0;
4 public void write(){
5 int a = 2; //1
6 flag = true; //2
7 }
8 public void multiply(){
9 if(flag){ //3
10 int ret = a * a ; //4
11 }
12 }
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如果有两个线程执行上面的代码，线程1先执行write方法，随后线程2执行multiply方法。最后结果一定是4吗，不一定。
小编带您Volatile的详解
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如图，JMM对1和2进行了重排序，先将flag设置为true，这是线程2执行，由于a还没有赋值，所以最后ret的值为0；
如果使用volatile关键字修饰flag，禁止重排序，可以保证程序的有序性，也可以使用synchronized或者lock这种重量级锁来保证有序性，但性能会下降。
另外，JMM具备一些先天的有序性,即不需要通过任何手段就可以保证的有序性，通常称为happens-before原则。<<JSR-133：Java Memory Model and Thread Specification>>定义了如下happens-before规则：
第1条规则程序顺序规则是说在一个线程里，所有的操作都是按顺序的，但是在JMM里其实只要执行结果一样，是允许重排序的，这边的happens-before强调的重点也是单线程执行结果的正确性，但是无法保证多线程也是如此。
第2条规则监视器规则其实也好理解，就是在加锁之前，确定这个锁之前已经被释放了，才能继续加锁。
第3条规则，就适用到所讨论的volatile，如果一个线程先去写一个变量，另外一个线程再去读，那么写入操作一定在读操作之前。
第4条规则，就是happens-before的传递性。
需要注意的是，被volatile修饰的共享变量只满足内存可见性和禁止重排序，并不能保证原子性。比如volatile i++。
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1 public class Test {
2 public volatile int inc = 0;
4 public void increase() {
5 inc++;
6 }
8 public static void main(String[] args) {
9 final Test test = new Test();
10 for(int i=0;i<10;i++){
11 new Thread(){
12 public void run() {
13 for(int j=0;j<1000;j++)
14 test.increase();
15 };
16 }.start();
17 }
18
19 while(Thread.activeCount()>1) //保证前面的线程都执行完
20 Thread.yield();
21 System.out.println(test.inc);
22 }
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按道理来说结果是10000，但是运行下很可能是个小于10000的值。有人可能会说volatile不是保证了可见性啊，一个线程对inc的修改，另外一个线程应该立刻看到啊！可是这里的操作inc++是个复合操作啊，包括读取inc的值，对其自增，然后再写回主存。
假设线程A，读取了inc的值为10，这时候被阻塞了，因为没有对变量进行修改，触发不了volatile规则。
线程B此时也读读inc的值，主存里inc的值依旧为10，做自增，然后立刻就被写回主存了，为11。
此时又轮到线程A执行，由于工作内存里保存的是10，所以继续做自增，再写回主存，11又被写了一遍。所以虽然两个线程执行了两次increase()，结果却只加了一次。
有人说，volatile不是会使缓存行无效的吗？但是这里线程A读取到线程B也进行操作之前，并没有修改inc值，所以线程B读取的时候，还是读的10。
又有人说，线程B将11写回主存，不会把线程A的缓存行设为无效吗？但是线程A的读取操作已经做过了啊，只有在做读取操作时，发现自己缓存行无效，才会去读主存的值，所以这里线程A只能继续做自增了。
综上所述，在这种复合操作的情景下，原子性的功能是维持不了了。但是volatile在上面那种设置flag值的例子里，由于对flag的读/写操作都是单步的，所以还是能保证原子性的。
要想保证原子性，只能借助于synchronized,Lock以及并发包下的atomic的原子操作类了，即对基本数据类型的 自增（加1操作），自减（减1操作）、以及加法操作（加一个数），减法操作（减一个数）进行了封装，保证这些操作是原子性操作。
volatile底层原理
如果将使用volatile修饰的代码和未使用volatile修饰的代码都编译成汇编语言，会发现，使用volatile修饰的代码会多出一个lock前缀指令。
lock前缀指令相当于一个内存屏障，内存屏障的作用有以下三点：
①重排序时，不能把内存屏障后面的指令排序到内存屏障前
②使得本CPU的cache写入内存
③写入动作会引起其他CPU缓存或内核的数据无效，相当于修改对其他线程可见。
volatile的应用场景
因为volatile对复合操作无效，所以volatile修饰像上面例子中的flag这样的只会发生读/写的标记型字段。
在单利模式中，volatile还可以修饰成员变量，防止初始化时的指令重排序。
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1 class Singleton{
2 private volatile static Singleton instance= null;
4 private Singleton(){
6 }
8 public static Singleton getInstance(){
9 if(instance==null){
10 synchronized(Singleton.class){
11 if(instance==null){
12 instance = new Singleton();
13 }
14 }
15 }
16 return instance;
17 }
18 } 小编每天会定期更新论文及视频，希望大家多多关注与支持 每天晚上20：00会在腾讯课堂上分享免费往期干货QQ:561487941