Java併發編程之三：volatile關鍵字解析 轉載 Java併發編程之三：volatile關鍵字解析 轉載

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《Java併發編程之三：volatile關鍵字解析 轉載》

《Synchronized之一：基本使用》

 

 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。

　　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，所以在講述volatile關鍵以前，咱們先來了解一下與內存模型相關的概念和知識，而後分析了volatile關鍵字的實現原理，最後給出了幾個使用volatile關鍵字的場景。

　　如下是本文的目錄大綱：

　　一.內存模型的相關概念

　　二.併發編程中的三個概念

　　三.Java內存模型

　　四..深刻剖析volatile關鍵字

　　五.使用volatile關鍵字的場景

一.內存模型的相關概念

　　你們都知道，計算機在執行程序時，每條指令都是在CPU中執行的，而執行指令過程當中，勢必涉及到數據的讀取和寫入。因爲程序運行過程當中的臨時數據是存放在主存（物理內存）當中的，這時就存在一個問題，因爲CPU執行速度很快，而從內存讀取數據和向內存寫入數據的過程跟CPU執行指令的速度比起來要慢的多，所以若是任什麼時候候對數據的操做都要經過和內存的交互來進行，會大大下降指令執行的速度。所以在CPU裏面就有了高速緩存。

　　也就是，當程序在運行過程當中，會將運算須要的數據從主存複製一份到CPU的高速緩存當中，那麼CPU進行計算時就能夠直接從它的高速緩存讀取數據和向其中寫入數據，當運算結束以後，再將高速緩存中的數據刷新到主存當中。舉個簡單的例子，好比下面的這段代碼：

1	i = i +  1 ;

 　　當線程執行這個語句時，會先從主存當中讀取i的值，而後複製一份到高速緩存當中，而後CPU執行指令對i進行加1操做，而後將數據寫入高速緩存，最後將高速緩存中i最新的值刷新到主存當中。

　　這個代碼在單線程中運行是沒有任何問題的，可是在多線程中運行就會有問題了。在多核CPU中，每條線程可能運行於不一樣的CPU中，所以每一個線程運行時有本身的高速緩存（對單核CPU來講，其實也會出現這種問題，只不過是以線程調度的形式來分別執行的）。本文咱們以多核CPU爲例。

　　好比同時有2個線程執行這段代碼，假如初始時i的值爲0，那麼咱們但願兩個線程執行完以後i的值變爲2。可是事實會是這樣嗎？

　　可能存在下面一種狀況：初始時，兩個線程分別讀取i的值存入各自所在的CPU的高速緩存當中，而後線程1進行加1操做，而後把i的最新值1寫入到內存。此時線程2的高速緩存當中i的值仍是0，進行加1操做以後，i的值爲1，而後線程2把i的值寫入內存。

　　最終結果i的值是1，而不是2。這就是著名的緩存一致性問題。一般稱這種被多個線程訪問的變量爲共享變量。

　　也就是說，若是一個變量在多個CPU中都存在緩存（通常在多線程編程時纔會出現），那麼就可能存在緩存不一致的問題。

　　爲了解決緩存不一致性問題，一般來講有如下2種解決方法：

　　1）經過在總線加LOCK#鎖的方式

　　2）經過緩存一致性協議

　　這2種方式都是硬件層面上提供的方式。

　　在早期的CPU當中，是經過在總線上加LOCK#鎖的形式來解決緩存不一致的問題。由於CPU和其餘部件進行通訊都是經過總線來進行的，若是對總線加LOCK#鎖的話，也就是說阻塞了其餘CPU對其餘部件訪問（如內存），從而使得只能有一個CPU能使用這個變量的內存。好比上面例子中 若是一個線程在執行 i = i +1，若是在執行這段代碼的過程當中，在總線上發出了LCOK#鎖的信號，那麼只有等待這段代碼徹底執行完畢以後，其餘CPU才能從變量i所在的內存讀取變量，而後進行相應的操做。這樣就解決了緩存不一致的問題。

　　可是上面的方式會有一個問題，因爲在鎖住總線期間，其餘CPU沒法訪問內存，致使效率低下。

　　因此就出現了緩存一致性協議。最出名的就是Intel 的MESI協議，MESI協議保證了每一個緩存中使用的共享變量的副本是一致的。它核心的思想是：當CPU寫數據時，若是發現操做的變量是共享變量，即在其餘CPU中也存在該變量的副本，會發出信號通知其餘CPU將該變量的緩存行置爲無效狀態，所以當其餘CPU須要讀取這個變量時，發現本身緩存中緩存該變量的緩存行是無效的，那麼它就會從內存從新讀取。

二.併發編程中的三個概念

　　在併發編程中，咱們一般會遇到如下三個問題：原子性問題，可見性問題，有序性問題。咱們先看具體看一下這三個概念：

1.原子性

　　原子性：即一個操做或者多個操做 要麼所有執行而且執行的過程不會被任何因素打斷，要麼就都不執行。

　　一個很經典的例子就是銀行帳戶轉帳問題：

　　好比從帳戶A向帳戶B轉1000元，那麼必然包括2個操做：從帳戶A減去1000元，往帳戶B加上1000元。

　　試想一下，若是這2個操做不具有原子性，會形成什麼樣的後果。假如從帳戶A減去1000元以後，操做忽然停止。而後又從B取出了500元，取出500元以後，再執行 往帳戶B加上1000元 的操做。這樣就會致使帳戶A雖然減去了1000元，可是帳戶B沒有收到這個轉過來的1000元。

　　因此這2個操做必需要具有原子性才能保證不出現一些意外的問題。

　　一樣地反映到併發編程中會出現什麼結果呢？

　　舉個最簡單的例子，你們想一下假如爲一個32位的變量賦值過程不具有原子性的話，會發生什麼後果？

1

i =  9 ;

 　　倘若一個線程執行到這個語句時，我暫且假設爲一個32位的變量賦值包括兩個過程：爲低16位賦值，爲高16位賦值。

　　那麼就可能發生一種狀況：當將低16位數值寫入以後，忽然被中斷，而此時又有一個線程去讀取i的值，那麼讀取到的就是錯誤的數據。

2.可見性

　　可見性是指當多個線程訪問同一個變量時，一個線程修改了這個變量的值，其餘線程可以當即看獲得修改的值。

　　舉個簡單的例子，看下面這段代碼：

1 2 3 4 5 6

//線程1執行的代碼 int  i =  0 ; i =  10 ;   //線程2執行的代碼 j = i;

 　　倘若執行線程1的是CPU1，執行線程2的是CPU2。由上面的分析可知，當線程1執行 i =10這句時，會先把i的初始值加載到CPU1的高速緩存中，而後賦值爲10，那麼在CPU1的高速緩存當中i的值變爲10了，卻沒有當即寫入到主存當中。

　　此時線程2執行 j = i，它會先去主存讀取i的值並加載到CPU2的緩存當中，注意此時內存當中i的值仍是0，那麼就會使得j的值爲0，而不是10.

　　這就是可見性問題，線程1對變量i修改了以後，線程2沒有當即看到線程1修改的值。

3.有序性

　　有序性：即程序執行的順序按照代碼的前後順序執行。舉個簡單的例子，看下面這段代碼：

1 2 3 4

int  i =  0 ;               boolean  flag =  false ; i =  1 ;                 //語句1   flag =  true ;           //語句2

 　　上面代碼定義了一個int型變量，定義了一個boolean類型變量，而後分別對兩個變量進行賦值操做。從代碼順序上看，語句1是在語句2前面的，那麼JVM在真正執行這段代碼的時候會保證語句1必定會在語句2前面執行嗎？不必定，爲何呢？這裏可能會發生指令重排序（Instruction Reorder）。

　　下面解釋一下什麼是指令重排序，通常來講，處理器爲了提升程序運行效率，可能會對輸入代碼進行優化，它不保證程序中各個語句的執行前後順序同代碼中的順序一致，可是它會保證程序最終執行結果和代碼順序執行的結果是一致的。

　　好比上面的代碼中，語句1和語句2誰先執行對最終的程序結果並無影響，那麼就有可能在執行過程當中，語句2先執行而語句1後執行。

　　可是要注意，雖然處理器會對指令進行重排序，可是它會保證程序最終結果會和代碼順序執行結果相同，那麼它靠什麼保證的呢？再看下面一個例子：

1 2 3 4

int  a =  10 ;     //語句1 int  r =  2 ;     //語句2 a = a +  3 ;     //語句3 r = a*a;      //語句4

 　　這段代碼有4個語句，那麼可能的一個執行順序是：

　　

　　

　　那麼可不多是這個執行順序呢： 語句2   語句1    語句4   語句3

　　不可能，由於處理器在進行重排序時是會考慮指令之間的數據依賴性，若是一個指令Instruction 2必須用到Instruction 1的結果，那麼處理器會保證Instruction 1會在Instruction 2以前執行。

　　雖然重排序不會影響單個線程內程序執行的結果，可是多線程呢？下面看一個例子：

1 2 3 4 5 6 7 8 9

//線程1: context = loadContext();    //語句1 inited =  true ;              //語句2   //線程2: while (!inited ){    sleep() } doSomethingwithconfig(context);

 　　上面代碼中，因爲語句1和語句2沒有數據依賴性，所以可能會被重排序。假如發生了重排序，在線程1執行過程當中先執行語句2，而此是線程2會覺得初始化工做已經完成，那麼就會跳出while循環，去執行doSomethingwithconfig(context)方法，而此時context並無被初始化，就會致使程序出錯。

 　　從上面能夠看出，指令重排序不會影響單個線程的執行，可是會影響到線程併發執行的正確性。

　　也就是說，要想併發程序正確地執行，必需要保證原子性、可見性以及有序性。只要有一個沒有被保證，就有可能會致使程序運行不正確。

三.Java內存模型

　　在前面談到了一些關於內存模型以及併發編程中可能會出現的一些問題。下面咱們來看一下Java內存模型，研究一下Java內存模型爲咱們提供了哪些保證以及在java中提供了哪些方法和機制來讓咱們在進行多線程編程時可以保證程序執行的正確性。

　　在Java虛擬機規範中試圖定義一種Java內存模型（Java Memory Model，JMM）來屏蔽各個硬件平臺和操做系統的內存訪問差別，以實現讓Java程序在各類平臺下都能達到一致的內存訪問效果。那麼Java內存模型規定了哪些東西呢，它定義了程序中變量的訪問規則，往大一點說是定義了程序執行的次序。注意，爲了得到較好的執行性能，Java內存模型並無限制執行引擎使用處理器的寄存器或者高速緩存來提高指令執行速度，也沒有限制編譯器對指令進行重排序。也就是說，在java內存模型中，也會存在緩存一致性問題和指令重排序的問題。

　　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。

　　舉個簡單的例子：在java中，執行下面這個語句：

1	i  =  10 ;

 　　執行線程必須先在本身的工做線程中對變量i所在的緩存行進行賦值操做，而後再寫入主存當中。而不是直接將數值10寫入主存當中。

　　那麼Java語言 自己對 原子性、可見性以及有序性提供了哪些保證呢？

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。

　　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：

　　請分析如下哪些操做是原子性操做：

1 2 3 4

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

 　　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。

　　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、Lock和final都能保證可見性，即同一時刻只有一個線程獲取鎖而後執行同步代碼，同步塊的可見性是由「對一個變量執行unlock操做以前，必須先把此變量同步回主內存中（執行store、write操做）」這條規則得到的，而final關鍵字的可見性是指：被final修飾的字段在構造器中一旦初始化完成，而且構造器沒有把「this」的引用傳遞出去（this引用逃逸是一件很危險的事情，其餘線程有可能經過這個引用訪問到「初始化了一半」的對象），那在其餘線程中就能看見final字段的值。如代碼清單12-7所示，變量i與j都具有可見性，它們無須同步就能被其餘線程正確訪問。

清單12-7

public static final int i；
public final int j；
static{
i=0；
//do something
}{//也能夠選擇在構造函數中初始化
j=0；
//do something
}

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）。另外也能夠經過synchronized和Lock來保證有序性，很顯然，volatile關鍵字自己就包含了禁止指令重排序的語義，而synchronized則是由「一個變量在同一個時刻只容許一條線程對其進行lock操做」這條規則得到的，這條規則決定了持有同一個鎖的兩個同

步塊只能串行地進入。

　　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。

四.深刻剖析volatile關鍵字

　　在前面講述了不少東西，其實都是爲講述volatile關鍵字做鋪墊，那麼接下來咱們就進入主題。

1.volatile關鍵字的兩層語義

　　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：

　　1）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。

　　2）禁止進行指令重排序。

　　先看一段代碼，假如線程1先執行，線程2後執行：

//線程1
boolean stop = false;
while(!stop){
    doSomething();
}
 
//線程2
stop = true;

 　　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）。

　　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1在運行的時候，會將stop變量的值拷貝一份放在本身的工做內存當中。

　　那麼當線程2更改了stop變量的值以後，可是還沒來得及寫入主存當中，線程2轉去作其餘事情了，那麼線程1因爲不知道線程2對stop變量的更改，所以還會一直循環下去。

　　可是用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2進行修改時，會致使線程1的工做內存中緩存變量stop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1的工做內存中緩存變量stop的緩存行無效，因此線程1再次讀取變量stop的值時會去主存讀取。

　　那麼在線程2修改stop值時（固然這裏包括2個操做，修改線程2工做內存中的值，而後將修改後的值寫入內存），會使得線程1的工做內存中緩存變量stop的緩存行無效，而後線程1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1讀取到的就是最新的正確的值。

2.volatile保證原子性嗎？

　　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);
    }
}

 　　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);
    }
}

　　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);
    }
}

　　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);
    }
}

　　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。

3.volatile能保證有序性嗎？

　　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

 　　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。

　　那麼咱們回到前面舉的一個例子：

//線程1:
context = loadContext();   //語句1
inited = true;             //語句2
 
//線程2:
while(!inited ){
  sleep()
}
doSomethingwithconfig(context);

 　　前面舉這個例子的時候，提到有可能語句2會在語句1以前執行，那麼久可能致使context還沒被初始化，而線程2中就使用未初始化的context去進行操做，致使程序出錯。

　　這裏若是用volatile關鍵字對inited變量進行修飾，就不會出現這種問題了，由於當執行到語句2時，一定能保證context已經初始化完畢。

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：

　　1）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；

　　2）它會強制將對緩存的修改操做當即寫入主存；

　　3）若是是寫操做，它會致使其餘CPU中對應的緩存行無效。

五.使用volatile關鍵字的場景

　　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：

　　1）對變量的寫操做不依賴於當前值

　　2）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。

　　事實上，個人理解就是上面的2個條件須要保證操做是原子性操做，才能保證使用volatile關鍵字的程序在併發時可以正確執行。

第一個條件的限制使 volatile 變量不能用做線程安全計數器。雖然增量操做（x++）看上去相似一個單獨操做，實際上它是一個由（讀取－修改－寫入）操做序列組成的組合操做，必須以原子方式執行，而 volatile 不能提供必須的原子特性。實現正確的操做須要使x 的值在操做期間保持不變，而 volatile 變量沒法實現這點。（然而，若是隻從單個線程寫入，那麼能夠忽略第一個條件。）　　

下面列舉幾個Java中使用volatile的幾個場景:

1.狀態標記量（模式 #1：狀態標誌）

這種類型的狀態標記的一個公共特性是：一般只有一種狀態轉換；

volatile boolean flag = false;
 
while(!flag){
    doSomething();
}
 
public void setFlag() {
    flag = true;
}

示例2

volatile boolean inited = false;
//線程1:
context = loadContext();  
inited = true;            
 
//線程2:
while(!inited ){
sleep()
}
doSomethingwithconfig(context);

示例3

shutdownRequested 標誌從false 轉換爲true，而後程序中止。這種模式能夠擴展到來回轉換的狀態標誌，可是隻有在轉換週期不被察覺的狀況下才能擴展（從false 到true，再轉換到false）。此外，還須要某些原子狀態轉換機制，例如原子變量。

也許實現 volatile 變量的規範使用僅僅是使用一個布爾狀態標誌，用於指示發生了一個重要的一次性事件，例如完成初始化或請求停機。

volatile boolean shutdownRequested;  
  
...  
  
public void shutdown() {   
    shutdownRequested = true;   
}  
  
public void doWork() {   
    while (!shutdownRequested) {   
        // do stuff  
    }  
}

線程1執行doWork()的過程當中，可能有另外的線程2調用了shutdown，因此boolean變量必須是volatile。

而若是使用 synchronized 塊編寫循環要比使用 volatile 狀態標誌編寫麻煩不少。因爲 volatile 簡化了編碼，而且狀態標誌並不依賴於程序內任何其餘狀態，所以此處很是適合使用 volatile。

2.double check（一次性安全發佈（one-time safe publication））

　　在缺少同步的狀況下，可能會遇到某個對象引用的更新值（由另外一個線程寫入）和該對象狀態的舊值同時存在。

這就是形成著名的雙重檢查鎖定（double-checked-locking）問題的根源，其中對象引用在沒有同步的狀況下進行讀操做，產生的問題是您可能會看到一個更新的引用，可是仍然會經過該引用看到不徹底構造的對象。參見：【設計模式】5. 單例模式（以及多線程、無序寫入、volatile對單例的影響）

　　若是不用volatile，則由於內存模型容許所謂的「無序寫入」，可能致使失敗。——某個線程可能會得到一個未徹底初始化的實例。

 1 class Singleton{
 2     private volatile static Singleton instance = null;
 3      
 4     private Singleton() {
 5          
 6     }
 7      
 8     public static Singleton getInstance() {
 9         if(instance==null) {
10             synchronized (Singleton.class) {
11                 if(instance==null)
12                     instance = new Singleton();
13             }
14         }
15         return instance;
16     }
17 }

 

考察上述代碼中的 //3 行。此行代碼建立了一個 Singleton 對象並初始化變量 instance 來引用此對象。這行代碼的問題是：在Singleton 構造函數體執行以前，變量instance 可能成爲非 null 的！
什麼？這一說法可能讓您始料未及，但事實確實如此。
在解釋這個現象如何發生前，請先暫時接受這一事實，咱們先來考察一下雙重檢查鎖定是如何被破壞的。假設上述代碼執行如下事件序列：

1.     線程 1 進入 getInstance() 方法。
2.     因爲 instance 爲 null，線程 1 在 //1 處進入synchronized 塊。
3.     線程 1 前進到 //3 處，但在構造函數執行以前，使實例成爲非null。
4.     線程 1 被線程 2 預佔。
5.     線程 2 檢查實例是否爲 null。由於實例不爲 null，線程 2 將instance 引用返回，返回一個構造完整但部分初始化了的Singleton 對象。
6.     線程 2 被線程 1 預佔。
7.     線程 1 經過運行 Singleton 對象的構造函數並將引用返回給它，來完成對該對象的初始化。

模式 #3：獨立觀察（independent observation）

安全使用 volatile 的另外一種簡單模式是：按期 「發佈」 觀察結果供程序內部使用。【例如】假設有一種環境傳感器可以感受環境溫度。一個後臺線程可能會每隔幾秒讀取一次該傳感器，並更新包含當前文檔的 volatile 變量。而後，其餘線程能夠讀取這個變量，從而隨時可以看到最新的溫度值。

使用該模式的另外一種應用程序就是收集程序的統計信息。【例】以下代碼展現了身份驗證機制如何記憶最近一次登陸的用戶的名字。將反覆使用lastUser 引用來發布值，以供程序的其餘部分使用。

public class UserManager {  
    public volatile String lastUser; //發佈的信息  
  
    public boolean authenticate(String user, String password) {  
        boolean valid = passwordIsValid(user, password);  
        if (valid) {  
            User u = new User();  
            activeUsers.add(u);  
            lastUser = user;  
        }  
        return valid;  
    }  
} 

模式 #4：「volatile bean」 模式

volatile bean 模式的基本原理是：不少框架爲易變數據的持有者（例如 HttpSession）提供了容器，可是放入這些容器中的對象必須是線程安全的。

在 volatile bean 模式中，JavaBean 的全部數據成員都是 volatile 類型的，而且 getter 和 setter 方法必須很是普通——即不包含約束！

@ThreadSafe  
public class Person {  
    private volatile String firstName;  
    private volatile String lastName;  
    private volatile int age;  
  
    public String getFirstName() { return firstName; }  
    public String getLastName() { return lastName; }  
    public int getAge() { return age; }  
  
    public void setFirstName(String firstName) {   
        this.firstName = firstName;  
    }  
  
    public void setLastName(String lastName) {   
        this.lastName = lastName;  
    }  
  
    public void setAge(int age) {   
        this.age = age;  
    }  
}  

 

模式 #5：開銷較低的「讀－寫鎖」策略

若是讀操做遠遠超過寫操做，您能夠結合使用內部鎖和 volatile 變量來減小公共代碼路徑的開銷。

以下顯示的線程安全的計數器，使用 synchronized 確保增量操做是原子的，並使用 volatile 保證當前結果的可見性。若是更新不頻繁的話，該方法可實現更好的性能，由於讀路徑的開銷僅僅涉及 volatile 讀操做，這一般要優於一個無競爭的鎖獲取的開銷。

@ThreadSafe  
public class CheesyCounter {  
    // Employs the cheap read-write lock trick  
    // All mutative operations MUST be done with the 'this' lock held  
    @GuardedBy("this") private volatile int value;  
  
    //讀操做，沒有synchronized，提升性能  
    public int getValue() {   
        return value;   
    }   
  
    //寫操做，必須synchronized。由於x++不是原子操做  
    public synchronized int increment() {  
        return value++;  
    } 
}

使用鎖進行全部變化的操做，使用 volatile 進行只讀操做。
其中，鎖一次只容許一個線程訪問值，volatile 容許多個線程執行讀操做 　

反例

大多數編程情形都會與這兩個條件的其中之一衝突，使得 volatile 變量不能像 synchronized 那樣廣泛適用於實現線程安全。

【反例：volatile變量不能用於約束條件中】 下面是一個非線程安全的數值範圍類。它包含了一個不變式 —— 下界老是小於或等於上界。

@NotThreadSafe   
public class NumberRange {  
    private int lower, upper;  
  
    public int getLower() { return lower; }  
    public int getUpper() { return upper; }  
  
    public void setLower(int value) {   
        if (value > upper)   
            throw new IllegalArgumentException(...);  
        lower = value;  
    }  
  
    public void setUpper(int value) {   
        if (value < lower)   
            throw new IllegalArgumentException(...);  
        upper = value;  
    }  
} 

將 lower 和 upper 字段定義爲 volatile 類型不可以充分實現類的線程安全；而仍然須要使用同步——使setLower() 和 setUpper() 操做原子化。

不然，若是湊巧兩個線程在同一時間使用不一致的值執行 setLower 和 setUpper 的話，則會使範圍處於不一致的狀態。例如，若是初始狀態是(0, 5)，同一時間內，線程 A 調用setLower(4) 而且線程 B 調用setUpper(3)，顯然這兩個操做交叉存入的值是不符合條件的，那麼兩個線程都會經過用於保護不變式的檢查，使得最後的範圍值是(4, 3) —— 一個無效值。

 

6、Volatile的實現原理

引言

在多線程併發編程中synchronized和Volatile都扮演着重要的角色，Volatile是輕量級的synchronized，它在多處理器開發中保證了共享變量的「可見性」。可見性的意思是當一個線程修改一個共享變量時，另一個線程能讀到這個修改的值。

它在某些狀況下比synchronized的開銷更小，本文將深刻分析在硬件層面上Inter處理器是如何實現Volatile的，經過深刻分析能幫助咱們正確的使用Volatile變量。

術語定義

 

術語	英文單詞	描述
共享變量		在多個線程之間可以被共享的變量被稱爲共享變量。共享變量包括全部的實例變量，靜態變量和數組元素。他們都被存放在堆內存中，Volatile只做用於共享變量。
內存屏障	Memory Barriers	是一組處理器指令，用於實現對內存操做的順序限制。
緩衝行	Cache line	緩存中能夠分配的最小存儲單位。處理器填寫緩存線時會加載整個緩存線，須要使用多個主內存讀週期。
原子操做	Atomic operations	不可中斷的一個或一系列操做。
緩存行填充	cache line fill	當處理器識別到從內存中讀取操做數是可緩存的，處理器讀取整個緩存行到適當的緩存（L1，L2，L3的或全部）
緩存命中	cache hit	若是進行高速緩存行填充操做的內存位置仍然是下次處理器訪問的地址時，處理器從緩存中讀取操做數，而不是從內存。
寫命中	write hit	當處理器將操做數寫回到一個內存緩存的區域時，它首先會檢查這個緩存的內存地址是否在緩存行中，若是存在一個有效的緩存行，則處理器將這個操做數寫回到緩存，而不是寫回到內存，這個操做被稱爲寫命中。
寫缺失	write misses the cache	一個有效的緩存行被寫入到不存在的內存區域。

Volatile的官方定義

Java語言規範第三版中對volatile的定義以下： java編程語言容許線程訪問共享變量，爲了確保共享變量能被準確和一致的更新，線程應該確保經過排他鎖單獨得到這個變量。Java語言提供了volatile，在某些狀況下比鎖更加方便。若是一個字段被聲明成volatile，java線程內存模型確保全部線程看到這個變量的值是一致的。

爲何要使用Volatile

Volatile變量修飾符若是使用恰當的話，它比synchronized的使用和執行成本會更低，由於它不會引發線程上下文的切換和調度。

Volatile的實現原理

那麼Volatile是如何來保證可見性的呢？在x86處理器下經過工具獲取JIT編譯器生成的彙編指令來看看對Volatile進行寫操做CPU會作什麼事情。

Java代碼：	instance = new Singleton();//instance是volatile變量
彙編代碼：	0x01a3de1d: movb $0x0,0x1104800(%esi); 0x01a3de24: lock addl $0x0,(%esp);

有volatile變量修飾的共享變量進行寫操做的時候會多第二行彙編代碼，經過查IA-32架構軟件開發者手冊可知，lock前綴的指令在多核處理器下會引起了兩件事情。

• 將當前處理器緩存行的數據會寫回到系統內存。
• 這個寫回內存的操做會引發在其餘CPU裏緩存了該內存地址的數據無效。

處理器爲了提升處理速度，不直接和內存進行通信，而是先將系統內存的數據讀到內部緩存（L1,L2或其餘）後再進行操做，但操做完以後不知道什麼時候會寫到內存，若是對聲明瞭Volatile變量進行寫操做，JVM就會向處理器發送一條Lock前綴的指令，將這個變量所在緩存行的數據寫回到系統內存。可是就算寫回到內存，若是其餘處理器緩存的值仍是舊的，再執行計算操做就會有問題，因此在多處理器下，爲了保證各個處理器的緩存是一致的，就會實現緩存一致性協議，每一個處理器經過嗅探在總線上傳播的數據來檢查本身緩存的值是否是過時了，當處理器發現本身緩存行對應的內存地址被修改，就會將當前處理器的緩存行設置成無效狀態，當處理器要對這個數據進行修改操做的時候，會強制從新從系統內存裏把數據讀處處理器緩存裏。

這兩件事情在IA-32軟件開發者架構手冊的第三冊的多處理器管理章節（第八章）中有詳細闡述。

Lock前綴指令會引發處理器緩存回寫到內存。Lock前綴指令致使在執行指令期間，聲言處理器的 LOCK# 信號。在多處理器環境中，LOCK# 信號確保在聲言該信號期間，處理器能夠獨佔使用任何共享內存。（由於它會鎖住總線，致使其餘CPU不能訪問總線，不能訪問總線就意味着不能訪問系統內存），可是在最近的處理器裏，LOCK＃信號通常不鎖總線，而是鎖緩存，畢竟鎖總線開銷比較大。在8.1.4章節有詳細說明鎖定操做對處理器緩存的影響，對於Intel486和Pentium處理器，在鎖操做時，老是在總線上聲言LOCK#信號。但在P6和最近的處理器中，若是訪問的內存區域已經緩存在處理器內部，則不會聲言LOCK#信號。相反地，它會鎖定這塊內存區域的緩存並回寫到內存，並使用緩存一致性機制來確保修改的原子性，此操做被稱爲「緩存鎖定」，緩存一致性機制會阻止同時修改被兩個以上處理器緩存的內存區域數據。

一個處理器的緩存回寫到內存會致使其餘處理器的緩存無效。IA-32處理器和Intel 64處理器使用MESI（修改，獨佔，共享，無效）控制協議去維護內部緩存和其餘處理器緩存的一致性。在多核處理器系統中進行操做的時候，IA-32 和Intel 64處理器能嗅探其餘處理器訪問系統內存和它們的內部緩存。它們使用嗅探技術保證它的內部緩存，系統內存和其餘處理器的緩存的數據在總線上保持一致。例如在Pentium和P6 family處理器中，若是經過嗅探一個處理器來檢測其餘處理器打算寫內存地址，而這個地址當前處理共享狀態，那麼正在嗅探的處理器將無效它的緩存行，在下次訪問相同內存地址時，強制執行緩存行填充。

 

轉自：http://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3920373.html