Java併發—— 關鍵字volatile解析

簡述

關鍵字volatile能夠說是Java虛擬機提供的最輕量級的同步機制，當一個變量定義爲volatile，它具備內存可見性以及禁止指令重排序兩大特性，爲了更好地瞭解volatile關鍵字，咱們能夠先看Java內存模型

Java內存模型

Java內存模型規定了全部的變量都存儲在主內存中，每條線程擁有本身的工做內存，工做內存中保存了被該線程使用到的變量的主內存副本拷貝，線程對變量的全部操做(讀寫)都必須在工做內存中進行，不一樣的線程之間沒法直接訪問對方工做內存的變量。線程、主內存、工做內存關係:

以經典的i++爲例，線程A從主內存獲取變量i值放入到工做內存的變量副本，而後在工做內存中將i+1，最後將新值同步到主內存中。從中咱們能夠看出簡單的i++，分了3個步驟，能夠明顯發如今線程A從主內存獲取i值步驟後，可能有其餘線程同步主內存中變量i的值，當線程A想要將i+1結果同步到主內存時就會出現不正確的結果，這是典型的線程不安全。

volatile特性

可見性

當一個線程修改了共享變量，其餘線程可以當即得知這個修改。Java內存模型經過在變量修改後將新值同步回主內存，volatile變量能保證新值能當即同步到主內存，以及每次使用前當即從主內存刷新(synchronized和final兩個關鍵字也具有)。仍是拿i++爲例，volatile修飾的i能夠確保，從主存中所獲取的變量i必定是最新的。

有序性

禁止指令重排序，程序執行的順序按照代碼的前後順序執行。
在執行程序時爲了提升性能，編譯器和處理器經常會對指令作重排序。
①.編譯器重排序:編譯器在不改變單線程程序語義的前提下，能夠從新安排語句的執行順序
②.處理器重排序:若是不存在數據依賴性，處理器能夠改變語句對應機器指令的執行順序

從java源代碼到最終實際執行的指令序列，會分別經歷下面三種重排序:

1屬於編譯器重排序，2和3屬於處理器重排序。

volatile使用場景

在某些特定場景中，volatile至關於一個輕量級的sychronize，由於不會引發線程的上下文切換，可是使用volatile必須知足兩個條件:
①.運算結果並不依賴變量的當前值，或者可以確保只有單一的線程修改變量的值
②.變量不須要與其餘的狀態變量共同參與不變約束

兩個使用場景:

狀態標記

使用volatile變量來控制併發，當shutdown()方法被調用時，能保證全部線程中執行的doWork()方法都當即停下來

public class VolatileTest {
    private volatile boolean shutdownRequested;
   public void shutdown() {
       shutdownRequested = true;
   }

   public void doWork(){
       while (!shutdownRequested) {
        // 業務邏輯
      }    
  }
}
複製代碼
複製代碼public void shutdown() {
       shutdownRequested = true;
   }

   public void doWork(){
       while (!shutdownRequested) {
        // 業務邏輯
      }    
  }
}
複製代碼複製代碼

DCL(雙鎖檢測)

單例模式的一種實現方式

public class Singleton {

    private volatile static Singleton singleton;

    public static Singleton getInstance() {
        if(singleton == null){
            synchronized (Singleton.class){
                if(singleton == null){
                    singleton = new Singleton();
                }
            }
        }
        return singleton;
    }
}
複製代碼
複製代碼public class Singleton {

    private volatile static Singleton singleton;

    public static Singleton getInstance() {
        if(singleton == null){
            synchronized (Singleton.class){
                if(singleton == null){
                    singleton = new Singleton();
                }
            }
        }
        return singleton;
    }
}
複製代碼複製代碼

volatile實現

從硬件架構上來說，處理器使用寫緩衝區來臨時保存向內存寫入的數據，能夠減小對內存總線的佔用。雖然寫緩衝區有這麼多好處，但此操做僅對它所在的處理器可見，這個特性會對內存操做的執行順序產生重要的影響，因爲操做緩衝區是異步操做因此在外面看來，先寫後讀，仍是先讀後寫，沒有嚴格的固定順序。

volatile修飾的變量相對於普通變量會多出一個lock前綴指令，這個操做至關於一個內存屏障(只有一個CPU訪問內存時，不須要內存屏障;但若是有兩個或更多CPU訪問同一塊內存，且其中有一個在觀測另外一個，就須要內存屏障來保證一致性)。

是否能重排序	第二個操做
第一個操做	普通讀	普通寫	volatile讀	volatile寫
普通讀				LoadStore
普通寫				StoreStore
volatile讀	LoadLoad	LoadStore	LoadLoad	LoadStore
volatile寫			StoreLoad	StoreStore

空白的單元格表明在不違反Java的基本語義下的重排是容許的。
StoreStore屏障：保證在volatile寫以前，其前面的全部普通寫操做都已經刷新到主內存
StoreLoad屏障：避免volatile寫與後面可能有的volatile讀/寫操做重排序
LoadLoad屏障：禁止處理器吧上面的volatile讀與下面的普通讀中排序
LoadStore屏障：禁止處理器把上面的volatile讀與下面的普通寫重排序

示例:

public class VolatileTest {
    int a = 0;
    volatile int var1 = 1;
    volatile int var2 = 2;
void readAndWrite() {
    int i = var1;   //volatile讀
    int j = var2;   //volatile讀
    a = i + i;      //普通讀
    var1 = i + 1;   //volatile寫
    var2 = j * 2;   //volatile寫
}
複製代碼
複製代碼void readAndWrite() {
    int i = var1;   //volatile讀
    int j = var2;   //volatile讀
    a = i + i;      //普通讀
    var1 = i + 1;   //volatile寫
    var2 = j * 2;   //volatile寫
}
複製代碼} 複製代碼

大體過程:

感謝

1.《深刻理解Java虛擬機》
2.佔小狼——面試必問的volatile，你瞭解多少？ 3.《Java併發編程的藝術》