并发编程：全视角解析volatile

Posted 2020-09-24 码农皮邱

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了并发编程：全视角解析volatile相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

一、目录

　　1、引入话题-发散思考

　　2、volatile深度解析

　　3、解决volatile原子性问题

　　4、volatile应用场景

二、引入话题-发散思考

public class T1 {
     /*volatile*/ boolean running=true;
 </span><span style="color: #0000ff;">public</span> <span style="color: #0000ff;">void</span><span style="color: #000000;"> m(){
      System.out.println(Thread.currentThread().getName()</span>+":start!"<span style="color: #000000;">);
       </span><span style="color: #0000ff;">while</span><span style="color: #000000;">(running){
            </span><span style="color: #008000;">/*</span><span style="color: #008000;">try {
                 TimeUnit.MINUTES.sleep(2);
            } catch (Exception e) {
                 e.printStackTrace();
            }</span><span style="color: #008000;">*/</span><span style="color: #000000;">
       }
      System.out.println(Thread.currentThread().getName()</span>+":end!"<span style="color: #000000;">);
 }

 </span><span style="color: #0000ff;">public</span> <span style="color: #0000ff;">static</span> <span style="color: #0000ff;">void</span><span style="color: #000000;"> main(String[] args) {
       T1 t</span>=<span style="color: #0000ff;">new</span><span style="color: #000000;"> T1();

       </span><span style="color: #0000ff;">new</span> Thread(()-&gt;t.m(),"t"<span style="color: #000000;">).start();
       </span><span style="color: #0000ff;">try</span><span style="color: #000000;"> {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(</span>1<span style="color: #000000;">);
       } </span><span style="color: #0000ff;">catch</span><span style="color: #000000;"> (Exception e) {
            e.printStackTrace();
       }
       t.running</span>=<span style="color: #0000ff;">false</span><span style="color: #000000;">;
 }

}

运行结果：

无volatile：

t:start!
有volatile:

t:start!

t:end!

含有volatile是期望的结果，那为什么不添加volatile会产生这种情况呢？

再谈Java内存模型：

在虚拟机中，堆内存用于存储共享数据（实例对象），堆内存也就是这里说的主内存。

每个线程将会在堆内存中开辟一块空间叫做线程的工作内存，附带一块缓存区用于存储共享数据副本。那么，共享数据在堆内存当中，线程通信就是通过主内存为中介，线程在本地内存读并且操作完共享变量操作完毕以后，把值写入主内存。

解析无volatile：

根据上述java内存模型可知，最开始running=true在主存中，开启线程A，线程会把主存的running=true复制一份写入工作内存的共享变量副本中。
当我们改变running=false，在主存中已经发生改变。
线程A一直在工作状态，没有空闲时间去知道主存的情况，而是一直在读本地内存的共享变量副本，也就一直running=true，取而代之也会产生上述情况。

三、volatile深度解析

那为什么含有volatile就能及时刷新工作内存呢？它有什么作用呢？

volatile：可见性（一个线程修改共享变量以后，立马会被其他线程知可见）、禁止重排序。

1、什么是可见性？

虚拟机的happens-before中的volatile规则：volatile变量写操作先于读操作，一个线程去读取volatile变量，另一个线程去写volatile变量，那么volatile变量的写操作优先。

根据上述java内存模型可知，最开始running=true在主存中，开启线程A，线程会把主存的running=true复制一份写入工作内存的共享变量副本中。
当我们改变running=false，在主存已经发生改变。
就在这时，当主存与工作内存发生不一致的时候，工作内存的共享变量会失效，那么工作内存就会去主存刷新一遍共享变量，所以running=false，自然就执行下面的代码啦！

2、什么是禁止重排序？

先谈有序性：

int a=1;
int b =3;
int c=a*b；

在虚拟机中，执行上述代码，一定是按照上述顺序执行吗？那可不一定，像a=1，b=3的顺序完全可能先执行b=3，a=1，这被称为重排序；但是c=a*b一定在a=1，b=3后面，这被成为有序性。

再谈重排序：

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

while(!inited ){

sleep()

}

doSomethingwithconfig(context);

假设上述代码在单线程中，谈过重排序不会对代码造成什么影响，但是我们看这一段代码。

语句1与语句2并没有太多的依赖关系，参考有序性例子，那么他们就可以重排序，那么可能语句2执行先于语句1，假设在线程1中语句2执行完就刷新inited到主存，还没等语句1执行呢？线程2就执行起来，一看inited=true，挑出循环，执行下面的代码，context=null就报出空指针，显然这是不能被虚拟机允许的。

所以，volatile明确规定禁止重排序，意思就是context=loadContext必须先于inited执行。

在虚拟机中设定了有序性，也就是前面谈到的happens-before原则。如果不满足上该原则的情况下，虚拟机是可以自由的重排序的，下面附录此规则。

3、先行发生原则（happens-before）

程序次序规则：一个线程内，按照代码顺序，书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作
锁定规则：一个unLock操作先行发生于后面对同一个锁的lock操作
volatile变量规则：对一个变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作
传递规则：如果操作A先行发生于操作B，而操作B又先行发生于操作C，则可以得出操作A先行发生于操作C
线程启动规则：Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每个一个动作
线程中断规则：对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生
线程终结规则：线程中所有的操作都先行发生于线程的终止检测，我们可以通过Thread.join()方法结束、Thread.isAlive()的返回值手段检测到线程已经终止执行
对象终结规则：一个对象的初始化完成先行发生于他的finalize()方法的开始

四、解决volatile原子性问题

1、volatile能解决原子性问题吗？什么是原子性呢，本不想解释，为了读者能够更透彻理解，再解释一下。

原子性：只有一个线程访问共享数据，也就是当线程A访问一个代码块的时候，其他线程全部堵塞，只有等代码块全部执行完，才能被其他线程访问共享数据。

 
public class T2 {
     volatile int count=0;
 </span><span style="color: #0000ff;">public</span> <span style="color: #0000ff;">void</span><span style="color: #000000;"> m(){
       </span><span style="color: #0000ff;">for</span>(<span style="color: #0000ff;">int</span> i=0;i&lt;1000;i++<span style="color: #000000;">)
            count</span>++<span style="color: #000000;">;
 }

 </span><span style="color: #0000ff;">public</span> <span style="color: #0000ff;">static</span> <span style="color: #0000ff;">void</span><span style="color: #000000;"> main(String[] args) {
       T2 t</span>=<span style="color: #0000ff;">new</span><span style="color: #000000;"> T2();
       List</span>&lt;Thread&gt; threads=<span style="color: #0000ff;">new</span> ArrayList&lt;Thread&gt;<span style="color: #000000;">();

       </span><span style="color: #0000ff;">for</span>(<span style="color: #0000ff;">int</span> i=0;i&lt;10;i++<span style="color: #000000;">){
            threads.add(</span><span style="color: #0000ff;">new</span> Thread(()-&gt;t.m(),"thread-"+<span style="color: #000000;">i));
       }

       threads.forEach((o)</span>-&gt;<span style="color: #000000;">o.start());

       </span><span style="color: #008000;">//</span><span style="color: #008000;">等待所有线程都执行完</span>
       threads.forEach((o)-&gt;<span style="color: #000000;">o.yield());

       System.out.println(</span>"count:"+<span style="color: #000000;">t.count);
 }

}

运行结果：

count：8710 //每次都不一样。

2、为什么加了volatile还是不能得到预期结果呢？因为它只保证了可见性，不能保证原子性。what？

再回忆java内存模型：

3、那怎么解决呢？

方式一：synchronized，jvm对synchronized进行了很大的优化，所以效率也没有想象中那么低。

public class T3 {
     int count=0;
 </span><span style="color: #0000ff;">public</span> <span style="color: #0000ff;">synchronized</span> <span style="color: #0000ff;">void</span><span style="color: #000000;"> m(){
       </span><span style="color: #0000ff;">for</span>(<span style="color: #0000ff;">int</span> i=0;i&lt;1000;i++<span style="color: #000000;">)
            count</span>++<span style="color: #000000;">;
 }

 </span><span style="color: #0000ff;">public</span> <span style="color: #0000ff;">static</span> <span style="color: #0000ff;">void</span><span style="color: #000000;"> main(String[] args) {
       T3 t</span>=<span style="color: #0000ff;">new</span><span style="color: #000000;"> T3();
       List</span>&lt;Thread&gt; threads=<span style="color: #0000ff;">new</span> ArrayList&lt;Thread&gt;<span style="color: #000000;">();

       </span><span style="color: #0000ff;">for</span>(<span style="color: #0000ff;">int</span> i=0;i&lt;10;i++<span style="color: #000000;">){
            threads.add(</span><span style="color: #0000ff;">new</span> Thread(()-&gt;t.m(),"thread-"+<span style="color: #000000;">i));
       }

       threads.forEach((o)</span>-&gt;<span style="color: #000000;">o.start());

       </span><span style="color: #008000;">//</span><span style="color: #008000;">等待所有线程都执行完</span>
       threads.forEach((o)-&gt;<span style="color: #000000;">o.yield());

       System.out.println(</span>"count:"+<span style="color: #000000;">t.count);
 }

}

方式二：ReentrantLock，跟synchronized的作用差不多。

public class T5 {
     ReentrantLock lock=new ReentrantLock();
     int  count=0;
 </span><span style="color: #0000ff;">public</span> <span style="color: #0000ff;">void</span><span style="color: #000000;"> m(){
       lock.lock();
       </span><span style="color: #0000ff;">for</span>(<span style="color: #0000ff;">int</span> i=0;i&lt;1000;i++<span style="color: #000000;">)
            count</span>++<span style="color: #000000;">;
       lock.unlock();
 }

 </span><span style="color: #0000ff;">public</span> <span style="color: #0000ff;">static</span> <span style="color: #0000ff;">void</span><span style="color: #000000;"> main(String[] args) {
       T4 t</span>=<span style="color: #0000ff;">new</span><span style="color: #000000;"> T4();
       List</span>&lt;Thread&gt; threads=<span style="color: #0000ff;">new</span> ArrayList&lt;Thread&gt;<span style="color: #000000;">();

       </span><span style="color: #0000ff;">for</span>(<span style="color: #0000ff;">int</span> i=0;i&lt;10;i++<span style="color: #000000;">){
            threads.add(</span><span style="color: #0000ff;">new</span> Thread(()-&gt;t.m(),"thread-"+<span style="color: #000000;">i));
       }

       threads.forEach((o)</span>-&gt;<span style="color: #000000;">o.start());

       </span><span style="color: #008000;">//</span><span style="color: #008000;">等待所有线程都执行完</span>
       threads.forEach((o)-&gt;<span style="color: #000000;">o.yield());

       System.out.println(</span>"count:"+<span style="color: #000000;">t.count);
 }

}

方式三：AtomicInteger原子类

public class T4 {
     AtomicInteger count=new AtomicInteger(0);
 </span><span style="color: #0000ff;">public</span> <span style="color: #0000ff;">void</span><span style="color: #000000;"> m(){
       </span><span style="color: #0000ff;">for</span>(<span style="color: #0000ff;">int</span> i=0;i&lt;1000;i++<span style="color: #000000;">)
            count.getAndIncrement();
 }

 </span><span style="color: #0000ff;">public</span> <span style="color: #0000ff;">static</span> <span style="color: #0000ff;">void</span><span style="color: #000000;"> main(String[] args) {
       T4 t</span>=<span style="color: #0000ff;">new</span><span style="color: #000000;"> T4();
       List</span>&lt;Thread&gt; threads=<span style="color: #0000ff;">new</span> ArrayList&lt;Thread&gt;<span style="color: #000000;">();

       </span><span style="color: #0000ff;">for</span>(<span style="color: #0000ff;">int</span> i=0;i&lt;10;i++<span style="color: #000000;">){
            threads.add(</span><span style="color: #0000ff;">new</span> Thread(()-&gt;t.m(),"thread-"+<span style="color: #000000;">i));
       }

       threads.forEach((o)</span>-&gt;<span style="color: #000000;">o.start());

       </span><span style="color: #008000;">//</span><span style="color: #008000;">等待所有线程都执行完</span>
       threads.forEach((o)-&gt;<span style="color: #000000;">o.yield());

       System.out.println(</span>"count:"+<span style="color: #000000;">t.count);
 }

}

五、volatile应用场景

说到这里，读者可能就已经懵逼了，这也有问题那也有问题，那我们什么时候用它呢？

volatile是基于synchronized提出的效率优化手段，但是它是不能代替synchronized的。

状态标记量：

一般volatile共享变量，不要用于数据计算，最好去标记一些状态值，比如前面说的running=true。

volatile boolean inited = false;
//线程1:
context = loadContext();
inited = true;
//线程2:

while(!inited ){

sleep()

}

doSomethingwithconfig(context);

九、版权声明

　　作者：邱勇Aaron

　　出处：http://www.cnblogs.com/qiuyong/

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　　参考：深入理解JVM、马士兵并发编程、并发编程实践

　　　　　volatile关键字解析：http://www.importnew.com/18126.html

以上是关于并发编程：全视角解析volatile的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

Java并发编程：volatile关键字解析（转载）

Java并发编程：volatile关键字解析