小編帶您Volatile的詳解-創(chuàng)新互聯(lián)

volatile關(guān)鍵字修飾的共享變量主要有兩個(gè)特點(diǎn)：1.保證了不同線程訪問的內(nèi)存可見性 2.禁止重排序
在說內(nèi)存可見性和有序性之前，我們有必要看一下Java的內(nèi)存模型(注意和JVM內(nèi)存模型的區(qū)分)
為什么要有java內(nèi)存模型？
首先我們知道內(nèi)存訪問和CPU指令在執(zhí)行速度上相差非常大，完全不是一個(gè)數(shù)量級(jí)，為了使得java在各個(gè)平臺(tái)上運(yùn)行的差距減少，哪些搞處理器的大佬就在CPU上加了各種高速緩存，來減少內(nèi)存操作和CPU指令的執(zhí)行速度差距。而Java在java層面又進(jìn)行了一波抽象，java內(nèi)存模型將內(nèi)存分為工作內(nèi)存和主存，每個(gè)線程從主存load數(shù)據(jù)到工作內(nèi)存，將load的數(shù)據(jù)賦值給工作內(nèi)存上的變量，然后該工作內(nèi)存對應(yīng)的線程進(jìn)行處理，處理結(jié)果在賦值給其工作內(nèi)存，然后再將數(shù)據(jù)賦值給主存中的變量(這時(shí)候需要有一張圖)。
小編帶您Volatile的詳解
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使用工作內(nèi)存和主存雖然加快了處理速度，但是也帶來了一些問題，比如下面這個(gè)例子
1 int i = 1;
2 i = i+1;
當(dāng)在單線程情況下，i最后的值一定是2；但是在兩個(gè)線程情況下一定是3嗎？那就未必了。當(dāng)線程A讀取i的值為1，load到其工作內(nèi)存，這時(shí)CPU切換至線程B，線程B讀取i的值也是1，然后對加1然后save到主存，這時(shí)線程A也對i進(jìn)行加1，也save回主存，但最終i的值為2。如果寫操作比較慢，你讀到的值還有可能是1，這就是緩存不一致的問題。JMM就是圍繞著原子性，內(nèi)存可見性，有序性這三個(gè)特征建立的。通過解決這個(gè)三個(gè)特征來解決緩存不一致的問題。而volatile主要針對于內(nèi)存可見性和有序性。
原子性
原子性是指一個(gè)操作要么成功，那么失敗，沒有中間狀態(tài)，比如i=1，直接讀取i的值，這肯定是原子操作；但是i++，看似好像是，其實(shí)需要先讀取i的值，然后+1，最后在賦值給i，需要三個(gè)步驟，這就不是原子性操作。在JDK1.5引入了boolean、long、int對應(yīng)的原子性類AtomicBoolean、AtomicLong、AtomicInteger，他們可以提供原子性操作。
內(nèi)存可見性
具有內(nèi)存可見性的變量在被線程修改以后，會(huì)立刻刷新到主存并使其他線程的緩存行上的數(shù)據(jù)失效。
volatile修飾的變量具有內(nèi)存可見性，主要表現(xiàn)為：當(dāng)寫一個(gè)volatile變量時(shí)，JMM會(huì)將該線程對應(yīng)的工作內(nèi)存中的共享變量立即刷新到主存；當(dāng)讀一個(gè)volatile變量時(shí)，JMM會(huì)把該線程對應(yīng)的工作內(nèi)存中的值置為無效，然后從主存中進(jìn)行讀取，但是如果沒有線程對該共享變量進(jìn)行修改，則不會(huì)觸發(fā)該操作。
有序性
JMM是允許處理器和編譯器對指令進(jìn)行重排序的，但規(guī)定了as-if-serial，即無論怎么重排序，最終結(jié)果都是一樣的。比如下面這段代碼：
1 int weight = 10; //A
2 int high = 5; //B
3 int area = high weight high; //C
這段代碼中可以按照A-->B-->C執(zhí)行，也可以按照B-->A-->C執(zhí)行，因?yàn)锳和B是相互獨(dú)立的，而C依賴于A、B，所以C不能排到A或B的前面。JMM保證了單線程的重排序，但是在多線程中就容易出現(xiàn)問題。比如下面這種情況
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1 boolean flag = false;
2 int a = 0;
4 public void write(){
5 int a = 2; //1
6 flag = true; //2
7 }
8 public void multiply(){
9 if(flag){ //3
10 int ret = a * a ; //4
11 }
12 }
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如果有兩個(gè)線程執(zhí)行上面的代碼，線程1先執(zhí)行write方法，隨后線程2執(zhí)行multiply方法。最后結(jié)果一定是4嗎，不一定。
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如圖，JMM對1和2進(jìn)行了重排序，先將flag設(shè)置為true，這是線程2執(zhí)行，由于a還沒有賦值，所以最后ret的值為0；
如果使用volatile關(guān)鍵字修飾flag，禁止重排序，可以保證程序的有序性，也可以使用synchronized或者lock這種重量級(jí)鎖來保證有序性，但性能會(huì)下降。
另外，JMM具備一些先天的有序性,即不需要通過任何手段就可以保證的有序性，通常稱為happens-before原則。<<JSR-133：Java Memory Model and Thread Specification>>定義了如下happens-before規(guī)則：
第1條規(guī)則程序順序規(guī)則是說在一個(gè)線程里，所有的操作都是按順序的，但是在JMM里其實(shí)只要執(zhí)行結(jié)果一樣，是允許重排序的，這邊的happens-before強(qiáng)調(diào)的重點(diǎn)也是單線程執(zhí)行結(jié)果的正確性，但是無法保證多線程也是如此。
第2條規(guī)則監(jiān)視器規(guī)則其實(shí)也好理解，就是在加鎖之前，確定這個(gè)鎖之前已經(jīng)被釋放了，才能繼續(xù)加鎖。
第3條規(guī)則，就適用到所討論的volatile，如果一個(gè)線程先去寫一個(gè)變量，另外一個(gè)線程再去讀，那么寫入操作一定在讀操作之前。
第4條規(guī)則，就是happens-before的傳遞性。
需要注意的是，被volatile修飾的共享變量只滿足內(nèi)存可見性和禁止重排序，并不能保證原子性。比如volatile i++。
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1 public class Test {
2 public volatile int inc = 0;
4 public void increase() {
5 inc++;
6 }
8 public static void main(String[] args) {
9 final Test test = new Test();
10 for(int i=0;i<10;i++){
11 new Thread(){
12 public void run() {
13 for(int j=0;j<1000;j++)
14 test.increase();
15 };
16 }.start();
17 }
18
19 while(Thread.activeCount()>1) //保證前面的線程都執(zhí)行完
20 Thread.yield();
21 System.out.println(test.inc);
22 }
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按道理來說結(jié)果是10000，但是運(yùn)行下很可能是個(gè)小于10000的值。有人可能會(huì)說volatile不是保證了可見性啊，一個(gè)線程對inc的修改，另外一個(gè)線程應(yīng)該立刻看到啊！可是這里的操作inc++是個(gè)復(fù)合操作啊，包括讀取inc的值，對其自增，然后再寫回主存。
假設(shè)線程A，讀取了inc的值為10，這時(shí)候被阻塞了，因?yàn)闆]有對變量進(jìn)行修改，觸發(fā)不了volatile規(guī)則。
線程B此時(shí)也讀讀inc的值，主存里inc的值依舊為10，做自增，然后立刻就被寫回主存了，為11。
此時(shí)又輪到線程A執(zhí)行，由于工作內(nèi)存里保存的是10，所以繼續(xù)做自增，再寫回主存，11又被寫了一遍。所以雖然兩個(gè)線程執(zhí)行了兩次increase()，結(jié)果卻只加了一次。
有人說，volatile不是會(huì)使緩存行無效的嗎？但是這里線程A讀取到線程B也進(jìn)行操作之前，并沒有修改inc值，所以線程B讀取的時(shí)候，還是讀的10。
又有人說，線程B將11寫回主存，不會(huì)把線程A的緩存行設(shè)為無效嗎？但是線程A的讀取操作已經(jīng)做過了啊，只有在做讀取操作時(shí)，發(fā)現(xiàn)自己緩存行無效，才會(huì)去讀主存的值，所以這里線程A只能繼續(xù)做自增了。
綜上所述，在這種復(fù)合操作的情景下，原子性的功能是維持不了了。但是volatile在上面那種設(shè)置flag值的例子里，由于對flag的讀/寫操作都是單步的，所以還是能保證原子性的。
要想保證原子性，只能借助于synchronized,Lock以及并發(fā)包下的atomic的原子操作類了，即對基本數(shù)據(jù)類型的 自增（加1操作），自減（減1操作）、以及加法操作（加一個(gè)數(shù)），減法操作（減一個(gè)數(shù)）進(jìn)行了封裝，保證這些操作是原子性操作。
volatile底層原理
如果將使用volatile修飾的代碼和未使用volatile修飾的代碼都編譯成匯編語言，會(huì)發(fā)現(xiàn)，使用volatile修飾的代碼會(huì)多出一個(gè)lock前綴指令。
lock前綴指令相當(dāng)于一個(gè)內(nèi)存屏障，內(nèi)存屏障的作用有以下三點(diǎn)：
①重排序時(shí)，不能把內(nèi)存屏障后面的指令排序到內(nèi)存屏障前
②使得本CPU的cache寫入內(nèi)存
③寫入動(dòng)作會(huì)引起其他CPU緩存或內(nèi)核的數(shù)據(jù)無效，相當(dāng)于修改對其他線程可見。
volatile的應(yīng)用場景
因?yàn)関olatile對復(fù)合操作無效，所以volatile修飾像上面例子中的flag這樣的只會(huì)發(fā)生讀/寫的標(biāo)記型字段。
在單利模式中，volatile還可以修飾成員變量，防止初始化時(shí)的指令重排序。
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1 class Singleton{
2 private volatile static Singleton instance= null;
4 private Singleton(){
6 }
8 public static Singleton getInstance(){
9 if(instance==null){
10 synchronized(Singleton.class){
11 if(instance==null){
12 instance = new Singleton();
13 }
14 }
15 }
16 return instance;
17 }
18 } 小編每天會(huì)定期更新論文及視頻，希望大家多多關(guān)注與支持 每天晚上20：00會(huì)在騰訊課堂上分享免費(fèi)往期干貨QQ:561487941

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