你應該知道的 volatile 關鍵字

時間 2019-11-15

標籤應該知道 volatile 關鍵字欄目 Java 简体版

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前言

不論是在面試仍是實際開發中 volatile 都是一個應該掌握的技能。java

首先來看看爲何會出現這個關鍵字。git

內存可見性

因爲 Java 內存模型(JMM)規定，全部的變量都存放在主內存中，而每一個線程都有着本身的工做內存(高速緩存)。github

線程在工做時，須要將主內存中的數據拷貝到工做內存中。這樣對數據的任何操做都是基於工做內存(效率提升)，而且不能直接操做主內存以及其餘線程工做內存中的數據，以後再將更新以後的數據刷新到主內存中。面試

這裏所提到的主內存能夠簡單認爲是 堆內存，而工做內存則能夠認爲是 棧內存。

以下圖所示：算法

因此在併發運行時可能會出現線程 B 所讀取到的數據是線程 A 更新以前的數據。緩存

顯然這確定是會出問題的，所以 volatile 的做用出現了：安全

當一個變量被 volatile 修飾時，任何線程對它的寫操做都會當即刷新到主內存中，而且會強制讓緩存了該變量的線程中的數據清空，必須從主內存從新讀取最新數據。

volatile 修飾以後並非讓線程直接從主內存中獲取數據，依然須要將變量拷貝到工做內存中。多線程

內存可見性的應用

當咱們須要在兩個線程間依據主內存通訊時，通訊的那個變量就必須的用 volatile 來修飾：併發

public class Volatile implements Runnable{

    private static volatile boolean flag = true ;

    @Override
    public void run() {
        while (flag){
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在運行。。。");
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() +"執行完畢");
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Volatile aVolatile = new Volatile();
        new Thread(aVolatile,"thread A").start();


        System.out.println("main 線程正在運行") ;

        TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100) ;

        aVolatile.stopThread();

    }

    private void stopThread(){
        flag = false ;
    }
}

主線程在修改了標誌位使得線程 A 當即中止，若是沒有用 volatile 修飾，就有可能出現延遲。ide

但這裏有個誤區，這樣的使用方式容易給人的感受是：

對 volatile 修飾的變量進行併發操做是線程安全的。

這裏要重點強調，volatile 並不能保證線程安全性！

以下程序:

public class VolatileInc implements Runnable{

    private static volatile int count = 0 ; //使用 volatile 修飾基本數據內存不能保證原子性

    //private static AtomicInteger count = new AtomicInteger() ;

    @Override
    public void run() {
        for (int i=0;i<10000 ;i++){
            count ++ ;
            //count.incrementAndGet() ;
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        VolatileInc volatileInc = new VolatileInc() ;
        Thread t1 = new Thread(volatileInc,"t1") ;
        Thread t2 = new Thread(volatileInc,"t2") ;
        t1.start();
        //t1.join();

        t2.start();
        //t2.join();
        for (int i=0;i<10000 ;i++){
            count ++ ;
            //count.incrementAndGet();
        }


        System.out.println("最終Count="+count);
    }
}

當咱們三個線程(t1,t2,main)同時對一個 int 進行累加時會發現最終的值都會小於 30000。

這是由於雖然 volatile 保證了內存可見性，每一個線程拿到的值都是最新值，但 count ++ 這個操做並非原子的，這裏面涉及到獲取值、自增、賦值的操做並不能同時完成。

因此想到達到線程安全可使這三個線程串行執行(其實就是單線程，沒有發揮多線程的優點)。
也可使用 synchronize 或者是鎖的方式來保證原子性。
還能夠用 Atomic 包中 AtomicInteger 來替換 int，它利用了 CAS 算法來保證了原子性。

指令重排

內存可見性只是 volatile 的其中一個語義，它還能夠防止 JVM 進行指令重排優化。

舉一個僞代碼:

int a=10 ;//1
int b=20 ;//2
int c= a+b ;//3

一段特別簡單的代碼，理想狀況下它的執行順序是：1>2>3。但有可能通過 JVM 優化以後的執行順序變爲了 2>1>3。

能夠發現無論 JVM 怎麼優化，前提都是保證單線程中最終結果不變的狀況下進行的。

可能這裏還看不出有什麼問題，那看下一段僞代碼:

private static Map<String,String> value ;
private static volatile boolean flag = fasle ;

//如下方法發生在線程 A 中 初始化 Map
public void initMap(){
    //耗時操做
    value = getMapValue() ;//1
    flag = true ;//2
}


//發生在線程 B中 等到 Map 初始化成功進行其餘操做
public void doSomeThing(){
    while(!flag){
        sleep() ;
    }
    //dosomething
    doSomeThing(value);
}

這裏就能看出問題了，當 flag 沒有被 volatile 修飾時，JVM 對 1 和 2 進行重排，致使 value 都尚未被初始化就有可能被線程 B 使用了。

因此加上 volatile 以後能夠防止這樣的重排優化，保證業務的正確性。

指令重排的的應用

一個經典的使用場景就是雙重懶加載的單例模式了:

public class Singleton {

    private static volatile Singleton singleton;

    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getInstance() {
        if (singleton == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (singleton == null) {
                    //防止指令重排
                    singleton = new Singleton();
                }
            }
        }
        return singleton;
    }
}

這裏的 volatile 關鍵字主要是爲了防止指令重排。

若是不用，singleton = new Singleton();，這段代碼實際上是分爲三步：