java併發之volatile關鍵字

Java面試中常常會涉及關於volatile的問題。本文梳理下volatile關鍵知識點。

volatile字意爲「易失性」，在Java中用作修飾對象變量。它不是Java特有，在C，C++，C#等編程語言也存在，只是在其它編程語言中使用有所差別，但整體語義一致。好比使用volatile 能阻止編譯器對變量的讀寫優化。簡單說，若是一個變量被修飾爲volatile，至關於告訴系統說我容易變化，編譯器你不要隨便優化（重排序，緩存）我。

Happens-before

規範上，Java內存模型遵行happens-before。

volatile變量在多線程中，寫線程和讀線程具備happens-before關係。也就是寫值的線程要在讀取線程以前，而且讀線程能徹底看見寫線程的相關變量。

happens-before：若是兩個有兩個動做AB，A發生在B以前，那麼A的順序應該在B前面而且A的操做對B徹底可見。

happens-before 具備傳遞性，若是A發生在B以前，而B發生在C以前，那麼A發生在C以前。

如何保證可見性

多線程環境下counter變量的更新過程。線程1先從主存拷貝副本到CPU緩存，而後CPU執行counter=7，修改完後寫入CPU緩存，等待時機同步到主存。在線程1同步主存前，線程2讀到counter值依然爲0。此時已經發生內存一致性錯誤（對於相同的共享數據，多線程讀到視圖不一致）。由於線程2看不見線程1操做結果，也將這個問題稱爲可見性問題。

public class SharedObject {
    public int counter = 0;
}

由於多了緩存優化致使，致使可見性問題。因此volatile經過消除緩存（描述可能不太準確）來避免。例如當使用volatile修飾變量後，操做該變量讀寫直接與主存交互，跳過緩存層，保證其它讀線程每次獲取的都是最新值。

public volatile int counter = 0;

volatile 不單隻消除修飾的變量的緩存。事實上與之相關的變量在讀寫時也會消除緩存，如同使用了volatile同樣。

以下 years，months，days 三個變量中只有days是volatile，可是對years，months讀寫操做也和days時也會跳過緩存，其它線程每次讀到的都是最新值。

public class MyClass {
    private int years;
    private int months
    private volatile int days;
    public int totalDays() {
        int total = this.days;
        total += months * 30;
        total += years * 365;
        return total;
    }
    public void update(int years, int months, int days){
        this.years  = years;
        this.months = months;
        this.days   = days;
    }
}

這是爲何？咱們分析一下。

一個寫線程調用 update，讀線程調用totalDays。單線程中，對於update方法，wa與wb存在happens-before關係， wa在 wb 以前執行並對wb可見。

多線程中rc與wb存在happens-before關係，wb在rc以前執行並對rc可見。根據 happens-before傳遞性，wa須要在rc前先執行並對rc可見。

由於wb是volatile變量，因此rc獲取的years，months也是最新值。

咱們知道出於性能緣由，JVM和CPU會對程序中的指令進行從新排序。若是update方法裏面wa和wb順序被重排，那它們的happens-before關係將不在成立。

爲了不這個問題，volatile對重排序作了保證 對於發生在volatile變量操做前的其餘變量的操做不能從新排序。

由此咱們獲得volatile經過消除緩存和防止重排保證線程的可見性。

volatile保證線程安全？

討論線程安全，你們都會說起原子性，順序性，可見性。volatile側重於保證可見性，也就是當寫的線程更新後，讀線程總能得到最新值。在只有一個線程寫，多個線程讀的場景下，volatile能知足線程安全。可若是多個線程同時寫入volatile變量時，則須要引入同步語義才能保證線程安全。

模擬10個線程同時寫入volatile變量，一個線程讀counter，執行完後正確結果應該是counter=10。

public static class WriterTask implements Runnable {
        private final ShareObject share;
        private final CountDownLatch countDownLatch;
        public WriterTask(ShareObject share, CountDownLatch countDownLatch) {
            this.share = share;
            this.countDownLatch = countDownLatch;
        }
        @Override
        public void run() {
            countDownLatch.countDown();
            share.increase();
        }
    }
    
    public class ShareObject {
        private volatile int counter;
        public void increase() {
            this.counter++;
        }
    }

執行結果出現counter=5或6 錯誤結果。

經過 synchronized，Lock或AtomicInteger 原子變量保證告終果的正確。

完整demo https://gist.github.com/onlythinking/ba7ca7aa5faf00a58f4cedae474fa6f6

volatile性能

volatile變量帶來可見性的保證，訪問volatile變量還防止了指令重排序。不過這一切是以犧牲優化（消除緩存，直接操做主存開銷增長）爲代價，因此不該該濫用volatile，僅在確實須要加強變量可見性的時候使用。

總結

本文記錄了volatile變量經過消除緩存，防止指令重排序來保證線程可見性，而且在多線程寫入的變量的場景下，不保證線程安全。

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