Java多線程乾貨系列—（四）volatile關鍵字| 掘金技術徵文

時間 2019-11-08

標籤 java 多線程乾貨系列 volatile 關鍵字技術徵文欄目 Java 简体版

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前言

今天介紹下volatile關鍵字，volatile這個關鍵字可能不少朋友都據說過，或許也都用過。在Java 5以前，它是一個備受爭議的關鍵字，由於在程序中使用它每每會致使出人意料的結果。在Java 5以後，volatile關鍵字才得以重獲生機。java

正文

volatile關鍵字雖然從字面上理解起來比較簡單，可是要用好不是一件容易的事情。因爲volatile關鍵字是與Java的內存模型有關的。因此讓咱們先來了解下Java的內存模型。c++

Java內存模型

Java內存模型規定全部的變量都是存在主存當中（相似於前面說的物理內存），每一個線程都有本身的工做內存（相似於前面的高速緩存）。線程對變量的全部操做都必須在工做內存中進行，而不能直接對主存進行操做。而且每一個線程不能訪問其餘線程的工做內存。以下圖：
編程

看個例子：設計模式

public class VolatileExample extends Thread{
    //設置類靜態變量,各線程訪問這同一共享變量
    private  static boolean flag = false;
    //無限循環,等待flag變爲true時才跳出循環
   public void run() {
       while (!flag){
       };
       System.out.println("中止了");
   }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        new VolatileExample().start();
        //sleep的目的是等待線程啓動完畢,也就是說進入run的無限循環體了
        Thread.sleep(100);
        flag = true;
    }
}複製代碼

這段代碼是很典型的一段代碼，不少人在中斷線程時可能都會採用這種標記辦法。可是事實上，這段代碼會徹底運行正確麼？即必定會將線程中斷麼？不必定，也許在大多數時候，這個代碼可以把線程中斷，可是也有可能會致使沒法中斷線程（雖然這個可能性很小，可是隻要一旦發生這種狀況就會形成死循環了）。
我執行後發現上面的程序一直在while循環，不會打印「中止了」這條信息，爲何呢？不是有設置flag=true嗎？
下面解釋一下這段代碼爲什麼有可能致使沒法中斷線程。在前面已經解釋過，每一個線程在運行過程當中都有本身的工做內存，那麼線程VolatileExample在運行的時候，會將flag變量的值拷貝一份放在本身的工做內存當中。
那麼當線程main更改了flag變量的值以後，可是還沒來得及寫入主存當中，線程main轉去作其餘事情了，那麼線程VolatileExample因爲不知道線程main對flag變量的更改，所以還會一直循環下去。緩存

線程中的三個概念

1.原子性
在Java中，對基本數據類型的變量的讀取和賦值操做是原子性操做，即這些操做是不可被中斷的，要麼執行，要麼不執行。微信

上面一句話雖然看起來簡單，可是理解起來並非那麼容易。看下面一個例子i：多線程

請分析如下哪些操做是原子性操做：併發

x = 10;         //語句1
y = x;         //語句2
x++;           //語句3
x = x + 1;     //語句4複製代碼

咋一看，有些朋友可能會說上面的4個語句中的操做都是原子性操做。其實只有語句1是原子性操做，其餘三個語句都不是原子性操做。app

語句1是直接將數值10賦值給x，也就是說線程執行這個語句的會直接將數值10寫入到工做內存中。

語句2實際上包含2個操做，它先要去讀取x的值，再將x的值寫入工做內存，雖然讀取x的值以及將x的值寫入工做內存這2個操做都是原子性操做，可是合起來就不是原子性操做了。

一樣的，x++和 x = x+1包括3個操做：讀取x的值，進行加1操做，寫入新的值。

因此上面4個語句只有語句1的操做具有原子性。

也就是說，只有簡單的讀取、賦值（並且必須是將數字賦值給某個變量，變量之間的相互賦值不是原子操做）纔是原子操做。

不過這裏有一點須要注意：在32位平臺下，對64位數據的讀取和賦值是須要經過兩個操做來完成的，不能保證其原子性。可是好像在最新的JDK中，JVM已經保證對64位數據的讀取和賦值也是原子性操做了。

從上面能夠看出，Java內存模型只保證了基本讀取和賦值是原子性操做，若是要實現更大範圍操做的原子性，能夠經過synchronized和Lock來實現。因爲synchronized和Lock可以保證任一時刻只有一個線程執行該代碼塊，那麼天然就不存在原子性問題了，從而保證了原子性。

2.可見性

對於可見性，Java提供了volatile關鍵字來保證可見性。

當一個共享變量被volatile修飾時，它會保證修改的值會當即被更新到主存，當有其餘線程須要讀取時，它會去內存中讀取新值。

而普通的共享變量不能保證可見性，由於普通共享變量被修改以後，何時被寫入主存是不肯定的，當其餘線程去讀取時，此時內存中可能仍是原來的舊值，所以沒法保證可見性。

另外，經過synchronized和Lock也可以保證可見性，synchronized和Lock能保證同一時刻只有一個線程獲取鎖而後執行同步代碼，而且在釋放鎖以前會將對變量的修改刷新到主存當中。所以能夠保證可見性。

3.有序性

在Java內存模型中，容許編譯器和處理器對指令進行重排序，可是重排序過程不會影響到單線程程序的執行，卻會影響到多線程併發執行的正確性。

在Java裏面，能夠經過volatile關鍵字來保證必定的「有序性」（具體原理在下一節講述）。另外能夠經過synchronized和Lock來保證有序性，很顯然，synchronized和Lock保證每一個時刻是有一個線程執行同步代碼，至關因而讓線程順序執行同步代碼，天然就保證了有序性。

另外，Java內存模型具有一些先天的「有序性」，即不須要經過任何手段就可以獲得保證的有序性，這個一般也稱爲 happens-before 原則。若是兩個操做的執行次序沒法從happens-before原則推導出來，那麼它們就不能保證它們的有序性，虛擬機能夠隨意地對它們進行重排序。

下面就來具體介紹下happens-before原則（先行發生原則）：

程序次序規則：一個線程內，按照代碼順序，書寫在前面的操做先行發生於書寫在後面的操做
鎖定規則：一個unLock操做先行發生於後面對同一個鎖額lock操做
volatile變量規則：對一個變量的寫操做先行發生於後面對這個變量的讀操做
傳遞規則：若是操做A先行發生於操做B，而操做B又先行發生於操做C，則能夠得出操做A先行發生於操做C
線程啓動規則：Thread對象的start()方法先行發生於此線程的每一個一個動做
線程中斷規則：對線程interrupt()方法的調用先行發生於被中斷線程的代碼檢測到中斷事件的發生
線程終結規則：線程中全部的操做都先行發生於線程的終止檢測，咱們能夠經過Thread.join()方法結束、Thread.isAlive()的返回值手段檢測到線程已經終止執行
對象終結規則：一個對象的初始化完成先行發生於他的finalize()方法的開始

這8條原則摘自《深刻理解Java虛擬機》。

這8條規則中，前4條規則是比較重要的，後4條規則都是顯而易見的。

下面咱們來解釋一下前4條規則：

對於程序次序規則來講，個人理解就是一段程序代碼的執行在單個線程中看起來是有序的。注意，雖然這條規則中提到「書寫在前面的操做先行發生於書寫在後面的操做」，這個應該是程序看起來執行的順序是按照代碼順序執行的，由於虛擬機可能會對程序代碼進行指令重排序。雖然進行重排序，可是最終執行的結果是與程序順序執行的結果一致的，它只會對不存在數據依賴性的指令進行重排序。所以，在單個線程中，程序執行看起來是有序執行的，這一點要注意理解。事實上，這個規則是用來保證程序在單線程中執行結果的正確性，但沒法保證程序在多線程中執行的正確性。

第二條規則也比較容易理解，也就是說不管在單線程中仍是多線程中，同一個鎖若是出於被鎖定的狀態，那麼必須先對鎖進行了釋放操做，後面才能繼續進行lock操做。

第三條規則是一條比較重要的規則，也是後文將要重點講述的內容。直觀地解釋就是，若是一個線程先去寫一個變量，而後一個線程去進行讀取，那麼寫入操做確定會先行發生於讀操做。

第四條規則實際上就是體現happens-before原則具有傳遞性。

volatile語義

一旦一個共享變量（類的成員變量、類的靜態成員變量）被volatile修飾以後，那麼就具有了兩層語義：

保證了不一樣線程對這個變量進行操做時的可見性，即一個線程修改了某個變量的值，這新值對其餘線程來講是當即可見的。
禁止進行指令重排序。

因此當把上面代碼中變量flag改爲下面這樣：

private  static valotile boolean flag = false;複製代碼

在執行的話，你就會發現打印了「中止了」信息，由於用volatile修飾以後就變得不同了：

第一：使用volatile關鍵字會強制將修改的值當即寫入主存；

第二：使用volatile關鍵字的話，當線程main進行修改時，會致使線程那麼線程VolatileExample的工做內存中緩存變量flag的緩存行無效（反映到硬件層的話，就是CPU的L1或者L2緩存中對應的緩存行無效）；

第三：因爲線程那麼線程VolatileExample的工做內存中緩存變量flag的緩存行無效，因此線程那麼線程VolatileExample再次讀取變量flag的值時會去主存讀取。

那麼在線程main修改flag值時（固然這裏包括2個操做，修改線程main工做內存中的值，而後將修改後的值寫入內存），會使得線程VolatileExample的工做內存中緩存變量flag的緩存行無效，而後線程讀取時，發現本身的緩存行無效，它會等待緩存行對應的主存地址被更新以後，而後去對應的主存讀取最新的值。

那麼線程VolatileExample讀取到的就是最新的正確的值。

使用volatile關鍵字增長了實例變量在多個線程之間的可見性。可是volatile關鍵字最致命的缺點是不支持原子性。
下面將關鍵字synchronized和volatile進行一下比較：
1）關鍵字volatile是線程同步的輕量級實現，因此volatile性能確定比synchronized要好，而且volatile只能修飾於變量，而synchronized能夠修飾方法，以及代碼塊。隨着JDK新版本的發佈，synchronized關鍵字在執行效率上獲得很大提高，在開發中使用synchronized關鍵字的比率仍是比較大的。

2）多線程訪問volatile不會發生阻塞，而synchronized會出現阻塞。

3）volatile能保證數據的可見性，但不能保證原子性；而synchronized能夠保證原子性，也能夠間接保證可見性，由於它將私有內存和公共內存中的數據作同步。

4）再次重申一下，關鍵字volatile解決的是變量在多個線程之間的可見性；而synchronized關鍵字解決的是多個線程之間訪問資源的同步性。

volatile非原子的特性

從上面知道volatile關鍵字保證了操做的可見性，可是volatile能保證對變量的操做是原子性嗎？
下面看一個例子：

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)  //保證前面的線程都執行完
            Thread.yield();
        System.out.println(test.inc);
    }
}複製代碼

你們想一下這段程序的輸出結果是多少？也許有些朋友認爲是10000。可是事實上運行它會發現每次運行結果都不一致，都是一個小於10000的數字。

可能有的朋友就會有疑問，不對啊，上面是對變量inc進行自增操做，因爲volatile保證了可見性，那麼在每一個線程中對inc自增完以後，在其餘線程中都能看到修改後的值啊，因此有10個線程分別進行了1000次操做，那麼最終inc的值應該是1000*10=10000。

這裏面就有一個誤區了，volatile關鍵字能保證可見性沒有錯，可是上面的程序錯在沒能保證原子性。可見性只能保證每次讀取的是最新的值，可是volatile沒辦法保證對變量的操做的原子性。

在前面已經提到過，自增操做是不具有原子性的，它包括讀取變量的原始值、進行加1操做、寫入工做內存。那麼就是說自增操做的三個子操做可能會分割開執行，就有可能致使下面這種狀況出現：

假如某個時刻變量inc的值爲10，

線程1對變量進行自增操做，線程1先讀取了變量inc的原始值，而後線程1被阻塞了；

而後線程2對變量進行自增操做，線程2也去讀取變量inc的原始值，因爲線程1只是對變量inc進行讀取操做，而沒有對變量進行修改操做，因此不會致使線程2的工做內存中緩存變量inc的緩存行無效，因此線程2會直接去主存讀取inc的值，發現inc的值時10，而後進行加1操做，並把11寫入工做內存，最後寫入主存。

而後線程1接着進行加1操做，因爲已經讀取了inc的值，注意此時在線程1的工做內存中inc的值仍然爲10，因此線程1對inc進行加1操做後inc的值爲11，而後將11寫入工做內存，最後寫入主存。

那麼兩個線程分別進行了一次自增操做後，inc只增長了1。

解釋到這裏，可能有朋友會有疑問，不對啊，前面不是保證一個變量在修改volatile變量時，會讓緩存行無效嗎？而後其餘線程去讀就會讀到新的值，對，這個沒錯。這個就是上面的happens-before規則中的volatile變量規則，可是要注意，線程1對變量進行讀取操做以後，被阻塞了的話，並無對inc值進行修改。而後雖然volatile能保證線程2對變量inc的值讀取是從內存中讀取的，可是線程1沒有進行修改，因此線程2根本就不會看到修改的值。

根源就在這裏，自增操做不是原子性操做，並且volatile也沒法保證對變量的任何操做都是原子性的。

把上面的代碼改爲如下任何一種均可以達到效果：

採用synchronized：

public class Test {
    public  int inc = 0;

    public synchronized 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)  //保證前面的線程都執行完
            Thread.yield();
        System.out.println(test.inc);
    }
}複製代碼

採用Lock：

public class Test {
    public  int inc = 0;
    Lock lock = new ReentrantLock();

    public void increase() {
        lock.lock();
        try {
            inc++;
        } finally{
            lock.unlock();
        }
    }

    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)  //保證前面的線程都執行完
            Thread.yield();
        System.out.println(test.inc);
    }
}複製代碼

採用AtomicInteger：

public class Test {
    public  AtomicInteger inc = new AtomicInteger();

    public void increase() {
        inc.getAndIncrement();
    }

    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)  //保證前面的線程都執行完
            Thread.yield();
        System.out.println(test.inc);
    }
}複製代碼

在java 1.5的java.util.concurrent.atomic包下提供了一些原子操做類，即對基本數據類型的自增（加1操做），自減（減1操做）、以及加法操做（加一個數），減法操做（減一個數）進行了封裝，保證這些操做是原子性操做。atomic是利用CAS來實現原子性操做的（Compare And Swap），CAS其實是利用處理器提供的CMPXCHG指令實現的，而處理器執行CMPXCHG指令是一個原子性操做。

volatile能保證有序性

在前面提到volatile關鍵字能禁止指令重排序，因此volatile能在必定程度上保證有序性。

volatile關鍵字禁止指令重排序有兩層意思：

1）當程序執行到volatile變量的讀操做或者寫操做時，在其前面的操做的更改確定所有已經進行，且結果已經對後面的操做可見；在其後面的操做確定尚未進行；

2）在進行指令優化時，不能將在對volatile變量訪問的語句放在其後面執行，也不能把volatile變量後面的語句放到其前面執行。

可能上面說的比較繞，舉個簡單的例子：

//x、y爲非volatile變量
//flag爲volatile變量

x = 2;        //語句1
y = 0;        //語句2
flag = true;  //語句3
x = 4;         //語句4
y = -1;       //語句5複製代碼

因爲flag變量爲volatile變量，那麼在進行指令重排序的過程的時候，不會將語句3放到語句一、語句2前面，也不會講語句3放到語句四、語句5後面。可是要注意語句1和語句2的順序、語句4和語句5的順序是不做任何保證的。

而且volatile關鍵字能保證，執行到語句3時，語句1和語句2一定是執行完畢了的，且語句1和語句2的執行結果對語句三、語句四、語句5是可見的。

4.volatile的原理和實現機制

前面講述了源於volatile關鍵字的一些使用，下面咱們來探討一下volatile到底如何保證可見性和禁止指令重排序的。

下面這段話摘自《深刻理解Java虛擬機》：

「觀察加入volatile關鍵字和沒有加入volatile關鍵字時所生成的彙編代碼發現，加入volatile關鍵字時，會多出一個lock前綴指令」

lock前綴指令實際上至關於一個內存屏障（也成內存柵欄），內存屏障會提供3個功能：

它確保指令重排序時不會把其後面的指令排到內存屏障以前的位置，也不會把前面的指令排到內存屏障的後面；即在執行到內存屏障這句指令時，在它前面的操做已經所有完成；
它會強制將對緩存的修改操做當即寫入主存；
若是是寫操做，它會致使其餘CPU中對應的緩存行無效。

總結

　synchronized關鍵字是防止多個線程同時執行一段代碼，那麼就會很影響程序執行效率，而volatile關鍵字在某些狀況下性能要優於synchronized，可是要注意volatile關鍵字是沒法替代synchronized關鍵字的，由於volatile關鍵字沒法保證操做的原子性。一般來講，使用volatile必須具有如下2個條件：

對變量的寫操做不依賴於當前值
該變量沒有包含在具備其餘變量的不變式中

實際上，這些條件代表，能夠被寫入 volatile 變量的這些有效值獨立於任何程序的狀態，包括變量的當前狀態。
設計模式中的單例模式中的雙檢查鎖就使用到了volatile關鍵字，跳轉地址以下：
設計模式乾貨系列：（四）單例模式【學習難度：★☆☆☆☆，使用頻率：★★★★☆】

參考

該文爲本人學習的筆記，方便之後本身跳槽前複習。參考網上各大帖子，取其精華整合本身的理解而成。還有，關注我我的主頁的公衆號，裏面電子書資源有《Java多線程編程核心技術》以及《深刻理解Java虛擬機》高清版，須要的小夥伴本身取。
《Java多線程編程核心技術》
《深刻理解Java虛擬機》
Java的多線程機制系列：(四)不得不提的volatile及指令重排序(happen-before)
Java併發編程：volatile關鍵字解析