作者｜ Arun Manivannan

譯者｜有孚

編輯｜包包 ? ??

Java的volatile關(guān)鍵字用于標(biāo)記一個(gè)變量“應(yīng)當(dāng)存儲(chǔ)在主存”。更確切地說(shuō)，每次讀取volatile變量，都應(yīng)該從主存讀取，而不是從CPU緩存讀取。每次寫(xiě)入一個(gè)volatile變量，應(yīng)該寫(xiě)到主存中，而不是僅僅寫(xiě)到CPU緩存。

實(shí)際上，從Java 5開(kāi)始，volatile關(guān)鍵字除了保證volatile變量從主存讀寫(xiě)外，還提供了更多的保障。我將在后面的章節(jié)中進(jìn)行說(shuō)明。

變量可見(jiàn)性問(wèn)題

Java的volatile關(guān)鍵字能保證變量修改后，對(duì)各個(gè)線程是可見(jiàn)的。這個(gè)聽(tīng)起來(lái)有些抽象，下面就詳細(xì)說(shuō)明。

在一個(gè)多線程的應(yīng)用中，線程在操作非volatile變量時(shí)，出于性能考慮，每個(gè)線程可能會(huì)將變量從主存拷貝到CPU緩存中。如果你的計(jì)算機(jī)有多個(gè)CPU，每個(gè)線程可能會(huì)在不同的CPU中運(yùn)行。這意味著，每個(gè)線程都有可能會(huì)把變量拷貝到各自CPU的緩存中，如下圖所示：

對(duì)于非volatile變量，JVM并不保證會(huì)從主存中讀取數(shù)據(jù)到CPU緩存，或者將CPU緩存中的數(shù)據(jù)寫(xiě)到主存中。這會(huì)引起一些問(wèn)題，在后面的章節(jié)中，我會(huì)來(lái)解釋這些問(wèn)題。

試想一下，如果有兩個(gè)以上的線程訪問(wèn)一個(gè)共享對(duì)象，這個(gè)共享對(duì)象包含一個(gè)counter變量，下面是代碼示例：

public class SharedObject { public int counter = 0;}

如果只有線程1修改了(自增)counter變量，而線程1和線程2兩個(gè)線程都會(huì)在某些時(shí)刻讀取counter變量。

如果counter變量沒(méi)有聲明成volatile，則counter的值不保證會(huì)從CPU緩存寫(xiě)回到主存中。也就是說(shuō)，CPU緩存和主存中的counter變量值并不一致，如下圖所示：

這就是“可見(jiàn)性”問(wèn)題，線程看不到變量最新的值，因?yàn)槠渌€程還沒(méi)有將變量值從CPU緩存寫(xiě)回到主存。一個(gè)線程中的修改對(duì)另外的線程是不可見(jiàn)的。

volatile可見(jiàn)性保證

Java的volatile關(guān)鍵字就是設(shè)計(jì)用來(lái)解決變量可見(jiàn)性問(wèn)題。將counter變量聲明為volatile，則在寫(xiě)入counter變量時(shí)，也會(huì)同時(shí)將變量值寫(xiě)入到主存中。同樣的，在讀取counter變量值時(shí)，也會(huì)直接從主存中讀取。

下面的代碼演示了如果將counter聲明為volatile：

public class SharedObject { public volatile int counter = 0;}

將一個(gè)變量聲明為volatile，可以保證變量寫(xiě)入時(shí)對(duì)其他線程的可見(jiàn)。

在上面的場(chǎng)景中，一個(gè)線程(T1)修改了counter，另一個(gè)線程(T2)讀取了counter(但沒(méi)有修改它)，將counter變量聲明為volatile，就能保證寫(xiě)入counter變量后，對(duì)T2是可見(jiàn)的。

然而，如果T1和T2都修改了counter的值，只是將counter聲明為volatile還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，后面會(huì)有更多的說(shuō)明。

完整的volatile可見(jiàn)性保證

實(shí)際上，volatile的可見(jiàn)性保證并不是只對(duì)于volatile變量本身那么簡(jiǎn)單。可見(jiàn)性保證遵循以下規(guī)則：

如果線程A寫(xiě)入一個(gè)volatile變量，線程B隨后讀取了同樣的volatile變量，則線程A在寫(xiě)入volatile變量之前的所有可見(jiàn)的變量值，在線程B讀取volatile變量后也同樣是可見(jiàn)的。

如果線程A讀取一個(gè)volatile變量，那么線程A中所有可見(jiàn)的變量也會(huì)同樣從主存重新讀取。

下面用一段代碼來(lái)示例說(shuō)明：

public class MyClass { private int years; private int months private volatile int days; public void update(int years, int months, int days){ this.years = years; this.months = months; this.days = days; }}

update()方法寫(xiě)入3個(gè)變量，其中只有days變量是volatile。

完整的volatile可見(jiàn)性保證意味著，在寫(xiě)入days變量時(shí)，線程中所有可見(jiàn)變量也會(huì)寫(xiě)入到主存。也就是說(shuō)，寫(xiě)入days變量時(shí)，years和months也會(huì)同時(shí)被寫(xiě)入到主存。

下面的代碼讀取了years、months、days變量：

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; }}

請(qǐng)注意totalDays()方法開(kāi)始讀取days變量值到total變量。在讀取days變量值時(shí)，months和years的值也會(huì)同時(shí)從主存讀取。因此，按上面所示的順序讀取時(shí)，可以保證讀取到days、months、years變量的最新值。

'' ? ?譯者注：可以將對(duì)volatile變量的讀寫(xiě)理解為一個(gè)觸發(fā)刷新的操作，寫(xiě)入volatile變量時(shí)，線程中的所有變量也都會(huì)觸發(fā)寫(xiě)入主存。而讀取volatile變量時(shí)，也同樣會(huì)觸發(fā)線程中所有變量從主存中重新讀取。因此，應(yīng)當(dāng)盡量將volatile的寫(xiě)入操作放在最后，而將volatile的讀取放在最前，這樣就能連帶將其他變量也進(jìn)行刷新。上面的例子中，update()方法對(duì)days的賦值就是放在years、months之后，就是保證years、months也能將最新的值寫(xiě)入到主存，如果是放在兩個(gè)變量之前，則days會(huì)寫(xiě)入主存，而years、months則不會(huì)。反過(guò)來(lái)，totalDays()方法則將days的讀取放在最前面，就是為了能同時(shí)觸發(fā)刷新years、months變量值，如果是放后面，則years、months就可能還是從CPU緩存中讀取值，而不是從主存中獲取最新值。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?''

指令重排問(wèn)題

出于性能考慮，JVM和CPU是允許對(duì)程序中的指令進(jìn)行重排的，只要保證(重排后的)指令語(yǔ)義一致即可。如下代碼為例：

int a = 1;int b = 2;a++;b++;

這些指令可以按以下順序重排，而不改變程序的語(yǔ)義：

int a = 1;a++;int b = 2;b++;

然而，指令重排面臨的一個(gè)問(wèn)題就是對(duì)volatile變量的處理。還是以前面提到的MyClass類(lèi)來(lái)說(shuō)明：

public class MyClass { private int years; private int months private volatile int days; public void update(int years, int months, int days){ this.years = years; this.months = months; this.days = days; }}

一旦update()變量寫(xiě)了days值，則years、months的最新值也會(huì)寫(xiě)入到主存。但是，如果JVM重排了指令，比如按以下方式重排：

public void update(int years, int months, int days){ this.days = days; this.months = months; this.years = years;}

在days被修改時(shí)，months、years的值也會(huì)寫(xiě)入到主存，但這時(shí)進(jìn)行寫(xiě)入，months、years并不是新的值(譯者注：即在months、years被賦新值之前，就觸發(fā)了這兩個(gè)變量值寫(xiě)入主存的操作，自然這兩個(gè)變量在主存中的值就不是新值)。新的值自然對(duì)其他線程是不可見(jiàn)的。指令重排導(dǎo)致了程序語(yǔ)義的改變。

Java對(duì)此有一個(gè)解決方法，我們會(huì)在下一章節(jié)中說(shuō)明。

Java volatile Happens-Before保證

為了解決指令重排的問(wèn)題，Java的volatile關(guān)鍵字在可見(jiàn)性之外，又提供了happends-before保證。happens-before原則如下：

如果有讀寫(xiě)操作發(fā)生在寫(xiě)入volatile變量之前，讀寫(xiě)其他變量的指令不能重排到寫(xiě)入volatile變量之后。寫(xiě)入一個(gè)volatile變量之前的讀寫(xiě)操作，對(duì)volatile變量是有happens-before保證的。注意，如果是寫(xiě)入volatile之后，有讀寫(xiě)其他變量的操作，那么這些操作指令是有可能被重排到寫(xiě)入volatile操作指令之前的。但反之則不成立。即可以把位于寫(xiě)入volatile操作指令之后的其他指令移到寫(xiě)入volatile操作指令之前，而不能把位于寫(xiě)入volatile操作指令之前的其他指令移到寫(xiě)入volatile操作指令之后。

如果有讀寫(xiě)操作發(fā)生在讀取volatile變量之后，讀寫(xiě)其他變量的指令不能重排到讀取volatile變量之前。注意，如果是讀取volatile之前，有讀取其他變量的操作，那么這些操作指令是有可能被重排到讀取volatile操作指令之后的。但反之則不成立。即可以把位于讀取volatile操作指令之前的指令移到讀取volatile操作指令之后，而不能把位于讀取volatile操作指令之后的指令移到讀取volatile操作指令之前。

以上的happens-before原則為volatile關(guān)鍵字的可見(jiàn)性提供了強(qiáng)制保證。

'' ? ?譯者注：這兩個(gè)原則讀起來(lái)有些拗口(當(dāng)然翻譯也不足夠好)，其實(shí)就是不管JVM怎么去禁止/允許某些情況下的指令重排，最終就是保證“完整的volatile可見(jiàn)性保證”的那種效果，所以，只要理解了“完整的volatile可見(jiàn)性保證”的效果就足夠了 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ?? ''

volatile并不總是可行的

雖然volatile關(guān)鍵字能保證volatile變量的所有讀取都是直接從主存讀取，所有寫(xiě)入都是直接寫(xiě)入到主存中，但在一些情形下，僅僅是將變量聲明為volatile還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

就像前面示例所說(shuō)的，線程1寫(xiě)入共享變量counter的值，將counter聲明為volatile已經(jīng)足夠保證線程2總是能獲取到最新的值。

事實(shí)上，多個(gè)線程都能寫(xiě)入共享的volatile變量，主存中也能存儲(chǔ)正確的變量值，然而這有一個(gè)前提，變量新值的寫(xiě)入不能依賴(lài)于變量的舊值。換句話說(shuō)，就是一個(gè)線程寫(xiě)入一個(gè)共享volatile變量值時(shí)，不需要先讀取變量值，然后以此來(lái)計(jì)算出新的值。

如果線程需要先讀取一個(gè)volatile變量的值，以此來(lái)計(jì)算出一個(gè)新的值，那么volatile變量就不足夠保證正確的可見(jiàn)性。(線程間)讀寫(xiě)volatile變量的時(shí)間間隔很短，這將導(dǎo)致一個(gè)競(jìng)態(tài)條件，多個(gè)線程同時(shí)讀取了volatile變量相同的值，然后以此計(jì)算出了新的值，這時(shí)各個(gè)線程往主存中寫(xiě)回值，則會(huì)互相覆蓋。

多個(gè)線程對(duì)counter變量進(jìn)行自增操作就是這樣的情形，下面的章節(jié)會(huì)詳細(xì)說(shuō)明這種情形。

設(shè)想一下，如果線程1將共享變量counter的值0讀取到它的CPU緩存，然后自增為1，而還沒(méi)有將新值寫(xiě)回到主存。線程2這時(shí)從主存中讀取的counter值依然是0，依然放到它自身的CPU緩存中，然后同樣將counter值自增為1，同樣也還沒(méi)有將新值寫(xiě)回到主存。如下圖所示：

從實(shí)際的情況來(lái)看，線程1和線程2現(xiàn)在就是不同步的。共享變量counter正確的值應(yīng)該是2，但各個(gè)線程中CPU緩存的值都是1，而主存中的值依然是0。這是很混亂的。即使線程最終將共享變量counter的值寫(xiě)回到主存，那值也明顯是錯(cuò)的。

何時(shí)使用volatile

正如我前面所說(shuō)，如果兩個(gè)線程同時(shí)讀寫(xiě)一個(gè)共享變量，僅僅使用volatile關(guān)鍵字是不夠的。你應(yīng)該使用 synchronized 來(lái)保證讀寫(xiě)變量是原子的。(一個(gè)線程)讀寫(xiě)volatile變量時(shí)，不會(huì)阻塞(其他)線程進(jìn)行讀寫(xiě)。你必須在關(guān)鍵的地方使用synchronized關(guān)鍵字來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

除了synchronized方法，你還可以使用java.util.concurrent包提供的許多原子數(shù)據(jù)類(lèi)型來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。比如，AtomicLong或AtomicReference，或是其他的類(lèi)。

如果只有一個(gè)線程對(duì)volatile進(jìn)行讀寫(xiě)，而其他線程只是讀取變量，這時(shí)，對(duì)于只是讀取變量的線程來(lái)說(shuō)，volatile就已經(jīng)可以保證讀取到的是變量的最新值。如果沒(méi)有把變量聲明為volatile，這就無(wú)法保證。

volatile關(guān)鍵字對(duì)32位和64位的變量都有效。

volatile的性能考量

讀寫(xiě)volatile變量會(huì)導(dǎo)致變量從主存讀寫(xiě)。從主存讀寫(xiě)比從CPU緩存讀寫(xiě)更加“昂貴”。訪問(wèn)一個(gè)volatile變量同樣會(huì)禁止指令重排，而指令重排是一種提升性能的技術(shù)。因此，你應(yīng)當(dāng)只在需要保證變量可見(jiàn)性的情況下，才使用volatile變量。

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總結(jié)

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