多线程：volatile
volatile關(guān)鍵字雖然從字面上理解起來(lái)比較簡(jiǎn)單，但是要用好不是一件容易的事情。由于volatile關(guān)鍵字是與Java的內(nèi)存模型有關(guān)的，因此在了解volatile關(guān)鍵字時(shí)，可以先看一下上一篇博客了解一下與內(nèi)存模型相關(guān)的概念和知識(shí)，然后此片文章才分析volatile關(guān)鍵字的實(shí)現(xiàn)原理，在給出了幾個(gè)使用volatile關(guān)鍵字的場(chǎng)景。
深入剖析volatile關(guān)鍵字
volatile 修飾的成員變量在每次被線程訪問(wèn)時(shí)，都強(qiáng)制從主存(共享內(nèi)存)中重新讀取該成員變量的值（也即是CAS）。而且，當(dāng)該線程中將成員變量修改時(shí)，會(huì)強(qiáng)制線程將變化值立即回寫到共享內(nèi)存。這樣在任何時(shí)刻，兩個(gè)不同的線程總是看到某個(gè)成員變量的同一個(gè)值。
volatile保證可見(jiàn)性、有序性！在使用這個(gè)關(guān)鍵字之前要保證操作是原子性的！
在前面講述了很多東西，其實(shí)都是為講述volatile關(guān)鍵字作鋪墊，那么接下來(lái)我們就進(jìn)入主題。
1.volatile關(guān)鍵字的兩層語(yǔ)義
一旦一個(gè)共享變量（類的成員變量、類的靜態(tài)成員變量）被volatile修飾之后，那么就具備了兩層語(yǔ)義：
1）保證了不同線程對(duì)這個(gè)變量進(jìn)行操作時(shí)的可見(jiàn)性，即一個(gè)線程修改了某個(gè)變量的值，這新值對(duì)其他線程來(lái)說(shuō)是立即可見(jiàn)的。
2）禁止進(jìn)行指令重排序。(前面的指令不能移到后面，后面的指令不能移到前面。在某種程度上保證了有序性
先看一段代碼，假如線程1先執(zhí)行，線程2后執(zhí)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，很多人在中斷線程時(shí)可能都會(huì)采用這種標(biāo)記辦法。但是事實(shí)上，這段代碼會(huì)完全運(yùn)行正確么？即一定會(huì)將線程中斷么？不一定，也許在大多數(shù)時(shí)候，這個(gè)代碼能夠把線程中斷，但是也有可能會(huì)導(dǎo)致無(wú)法中斷線程（雖然這個(gè)可能性很小，但是只要一旦發(fā)生這種情況就會(huì)造成死循環(huán)了）。
下面解釋一下這段代碼為何有可能導(dǎo)致無(wú)法中斷線程。在前面已經(jīng)解釋過(guò)，每個(gè)線程在運(yùn)行過(guò)程中都有自己的工作內(nèi)存，那么線程1在運(yùn)行的時(shí)候，會(huì)將stop變量的值拷貝一份放在自己的工作內(nèi)存當(dāng)中。
那么當(dāng)線程2更改了stop變量的值之后，但是還沒(méi)來(lái)得及寫入主存當(dāng)中，線程2轉(zhuǎn)去做其他事情了，那么線程1由于不知道線程2對(duì)stop變量的更改，因此還會(huì)一直循環(huán)下去。
但是用volatile修飾之后就變得不一樣了：
第一：使用volatile關(guān)鍵字會(huì)強(qiáng)制將修改的值立即寫入主存；
第二：使用volatile關(guān)鍵字的話，當(dāng)線程2進(jìn)行修改時(shí)，會(huì)導(dǎo)致線程1的工作內(nèi)存中緩存變量stop的緩存行無(wú)效（反映到硬件層的話，就是CPU的L1或者L2緩存中對(duì)應(yīng)的緩存行無(wú)效）；
第三：由于線程1的工作內(nèi)存中緩存變量stop的緩存行無(wú)效，所以線程1再次讀取變量stop的值時(shí)會(huì)去主存讀取。
那么在線程2修改stop值時(shí)（當(dāng)然這里包括2個(gè)操作，修改線程2工作內(nèi)存中的值，然后將修改后的值寫入內(nèi)存），會(huì)使得線程1的工作內(nèi)存中緩存變量stop的緩存行無(wú)效，然后線程1讀取時(shí)，發(fā)現(xiàn)自己的緩存行無(wú)效，它會(huì)等待緩存行對(duì)應(yīng)的主存地址被更新之后，然后去對(duì)應(yīng)的主存讀取最新的值。
那么線程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(guān)鍵字保證了操作的可見(jiàn)性，但是volatile能保證對(duì)變量的操作是原子性嗎？
下面看一個(gè)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(zhí)行完 ????????????Thread.yield(); ????????System.out.println(test.inc); ????} } |
? 大家想一下這段程序的輸出結(jié)果是多少？也許有些朋友認(rèn)為是10000。但是事實(shí)上運(yùn)行它會(huì)發(fā)現(xiàn)每次運(yùn)行結(jié)果都不一致，都是一個(gè)小于10000的數(shù)字。
可能有的朋友就會(huì)有疑問(wèn)，不對(duì)啊，上面是對(duì)變量inc進(jìn)行自增操作，由于volatile保證了可見(jiàn)性，那么在每個(gè)線程中對(duì)inc自增完之后，在其他線程中都能看到修改后的值啊，所以有10個(gè)線程分別進(jìn)行了1000次操作，那么最終inc的值應(yīng)該是1000*10=10000。
這里面就有一個(gè)誤區(qū)了，volatile關(guān)鍵字能保證可見(jiàn)性沒(méi)有錯(cuò)，但是上面的程序錯(cuò)在沒(méi)能保證原子性。可見(jiàn)性只能保證每次讀取的是最新的值，但是volatile沒(méi)辦法保證對(duì)變量的操作的原子性。
在前面已經(jīng)提到過(guò)，自增操作是不具備原子性的，它包括讀取變量的原始值、進(jìn)行加1操作、寫入工作內(nèi)存。那么就是說(shuō)自增操作的三個(gè)子操作可能會(huì)分割開(kāi)執(zhí)行，就有可能導(dǎo)致下面這種情況出現(xiàn)：
假如某個(gè)時(shí)刻變量inc的值為10，
線程1對(duì)變量進(jìn)行自增操作，線程1先讀取了變量inc的原始值，然后線程1被阻塞了；
然后線程2對(duì)變量進(jìn)行自增操作，線程2也去讀取變量inc的原始值，由于線程1只是對(duì)變量inc進(jìn)行讀取操作，而沒(méi)有對(duì)變量進(jìn)行修改操作，所以不會(huì)導(dǎo)致線程2的工作內(nèi)存中緩存變量inc的緩存行無(wú)效，所以線程2會(huì)直接去主存讀取inc的值，發(fā)現(xiàn)inc的值時(shí)10，然后進(jìn)行加1操作，并把11寫入工作內(nèi)存，最后寫入主存。
然后線程1接著進(jìn)行加1操作，由于已經(jīng)讀取了inc的值，注意此時(shí)在線程1的工作內(nèi)存中inc的值仍然為10，所以線程1對(duì)inc進(jìn)行加1操作后inc的值為11，然后將11寫入工作內(nèi)存，最后寫入主存。
那么兩個(gè)線程分別進(jìn)行了一次自增操作后，inc只增加了1。
解釋到這里，可能有朋友會(huì)有疑問(wèn)，不對(duì)啊，前面不是保證一個(gè)變量在修改volatile變量時(shí)，會(huì)讓緩存行無(wú)效嗎？然后其他線程去讀就會(huì)讀到新的值，對(duì)，這個(gè)沒(méi)錯(cuò)。這個(gè)就是上面的happens-before規(guī)則中的volatile變量規(guī)則（寫先于讀，但是只讀沒(méi)寫，其他的線程也就無(wú)法看到，那么都讀完，再一起寫，等于只存入了慢寫的那個(gè)值），但是要注意，線程1對(duì)變量進(jìn)行讀取操作之后，被阻塞了的話，并沒(méi)有對(duì)inc值進(jìn)行修改。然后雖然volatile能保證線程2對(duì)變量inc的值讀取是從內(nèi)存中讀取的，但是線程1沒(méi)有進(jìn)行修改，所以線程2根本就不會(huì)看到修改的值。
此處的解釋應(yīng)該多一句：可見(jiàn)性只是保證每次去讀的是最新值，是別的線程修改更新過(guò)的，然而如果已經(jīng)讀好了，但是沒(méi)操作，然后別人已經(jīng)操作過(guò)了，你此時(shí)再修改完inc再去覆蓋掉別人修改過(guò)的，那前面線程2的操作就作廢了。這就不同于前面文章的那個(gè)例子：
Boolean b = false；//線程1
While（！b）｛
｝
b=true;//線程2
這個(gè)是每次線程1在循環(huán)的時(shí)候，都要去讀b的值的，就是每次判斷！b之前，都是一次新的操作（要經(jīng)過(guò)讀取b的值，判斷b，執(zhí)行，這個(gè)過(guò)程），都是要去讀取看b在主內(nèi)存是怎么樣的一種形態(tài)。而上面說(shuō)到的b++，已經(jīng)讀取了，只是沒(méi)有操作++和寫入而已，完全是兩碼事。
根源就在這里，自增操作不是原子性操作，而且volatile也無(wú)法保證對(duì)變量的任何操作都是原子性的。
把上面的代碼改成以下任何一種都可以達(dá)到效果：
采用synchronized：
publicclass Test {
??? public? int inc = 0;
???
??? publicsynchronizedvoid increase() {
??????? inc++;
??? }
???
??? publicstaticvoid main(String[] args) {
??????? final Test test = new Test();
??????? for(int i=0;i<10;i++){
??????????? new Thread(){
??????????????? publicvoid run() {
??????????????????? for(int j=0;j<1000;j++)
??????????????????????? test.increase();
??????????????? };
??????????? }.start();
??????? }
???????
??????? while(Thread.activeCount()>1)? //保證前面的線程都執(zhí)行完
??????????? Thread.yield();
??????? System.out.println(test.inc);
??? }
}
采用Lock：
publicclass Test {
??? public? int inc = 0;
??? Lock lock = new ReentrantLock();
???
??? public? void increase() {
??????? lock.lock();
??????? try {
??????????? inc++;
??????? } finally{
??????????? lock.unlock();
?? ?????}
??? }
???
??? publicstaticvoid main(String[] args) {
??????? final Test test = new Test();
??????? for(int i=0;i<10;i++){
??????????? new Thread(){
??????????????? publicvoid run() {
??????????????????? for(int j=0;j<1000;j++)
????????????????? ??????test.increase();
??????????????? };
??????????? }.start();
??????? }
???????
??????? while(Thread.activeCount()>1)? //保證前面的線程都執(zhí)行完
??????????? Thread.yield();
??????? System.out.println(test.inc);
??? }
}
采用AtomicInteger：
publicclass Test {
??? public?AtomicInteger inc = new AtomicInteger();
????
??? public? void increase() {
??????? inc.getAndIncrement();
??? }
???
??? publicstaticvoid main(String[] args) {
??????? final Test test = new Test();
??????? for(int i=0;i<10;i++){
??????????? new Thread(){
??????????????? publicvoid run() {
??????????????????? for(int j=0;j<1000;j++)
??????????????????????? test.increase();
??????????????? };
??????????? }.start();
??????? }
? ??????
??????? while(Thread.activeCount()>1)? //保證前面的線程都執(zhí)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作類，即對(duì)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。atomic是利用CAS來(lái)實(shí)現(xiàn)原子性操作的（Compare And Swap），CAS實(shí)際上是利用處理器提供的CMPXCHG指令實(shí)現(xiàn)的，而處理器執(zhí)行CMPXCHG指令是一個(gè)原子性操作。
?
3.volatile能保證有序性嗎？
在前面提到volatile關(guān)鍵字能禁止指令重排序，所以volatile能在一定程度上保證有序性。
volatile關(guān)鍵字禁止指令重排序有兩層意思：
1）當(dāng)程序執(zhí)行到volatile變量的讀操作或者寫操作時(shí)，在其前面的操作的更改肯定全部已經(jīng)進(jìn)行，且結(jié)果已經(jīng)對(duì)后面的操作可見(jiàn)；在其后面的操作肯定還沒(méi)有進(jìn)行；
2）在進(jìn)行指令優(yōu)化時(shí)，不能將在對(duì)volatile變量訪問(wèn)的語(yǔ)句放在其后面執(zhí)行，也不能把volatile變量后面的語(yǔ)句放到其前面執(zhí)行。
可能上面說(shuō)的比較繞，舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子：
| //x、y為非volatile變量 //flag為volatile變量 ? x =?2;????????//語(yǔ)句1 y =?0;????????//語(yǔ)句2 flag =?true;??//語(yǔ)句3 x =?4;?????????//語(yǔ)句4 y = -1;???????//語(yǔ)句5 |
? 由于flag變量為volatile變量，那么在進(jìn)行指令重排序的過(guò)程的時(shí)候，不會(huì)將語(yǔ)句3放到語(yǔ)句1、語(yǔ)句2前面，也不會(huì)講語(yǔ)句3放到語(yǔ)句4、語(yǔ)句5后面。但是要注意語(yǔ)句1和語(yǔ)句2的順序、語(yǔ)句4和語(yǔ)句5的順序是不作任何保證的。
并且volatile關(guān)鍵字能保證，執(zhí)行到語(yǔ)句3時(shí)，語(yǔ)句1和語(yǔ)句2必定是執(zhí)行完畢了的，且語(yǔ)句1和語(yǔ)句2的執(zhí)行結(jié)果對(duì)語(yǔ)句3、語(yǔ)句4、語(yǔ)句5是可見(jiàn)的。
那么我們回到前面舉的一個(gè)例子：
| //線程1: context = loadContext();???//語(yǔ)句1 inited =?true;?????????????//語(yǔ)句2 ? //線程2: while(!inited ){ ??sleep() } doSomethingwithconfig(context); |
? 前面舉這個(gè)例子的時(shí)候，提到有可能語(yǔ)句2會(huì)在語(yǔ)句1之前執(zhí)行，那么久可能導(dǎo)致context還沒(méi)被初始化，而線程2中就使用未初始化的context去進(jìn)行操作，導(dǎo)致程序出錯(cuò)。
這里如果用volatile關(guān)鍵字對(duì)inited變量進(jìn)行修飾，就不會(huì)出現(xiàn)這種問(wèn)題了，因?yàn)楫?dāng)執(zhí)行到語(yǔ)句2時(shí)，必定能保證context已經(jīng)初始化完畢。
4.volatile的原理和實(shí)現(xiàn)機(jī)制
前面講述了源于volatile關(guān)鍵字的一些使用，下面我們來(lái)探討一下volatile到底如何保證可見(jiàn)性和禁止指令重排序的。
下面這段話摘自《深入理解Java虛擬機(jī)》：
“觀察加入volatile關(guān)鍵字和沒(méi)有加入volatile關(guān)鍵字時(shí)所生成的匯編代碼發(fā)現(xiàn)，加入volatile關(guān)鍵字時(shí)，會(huì)多出一個(gè)lock前綴指令”
lock前綴指令實(shí)際上相當(dāng)于一個(gè)內(nèi)存屏障（也成內(nèi)存柵欄），內(nèi)存屏障會(huì)提供3個(gè)功能：
1）它確保指令重排序時(shí)不會(huì)把其后面的指令排到內(nèi)存屏障之前的位置，也不會(huì)把前面的指令排到內(nèi)存屏障的后面；即在執(zhí)行到內(nèi)存屏障這句指令時(shí)，在它前面的操作已經(jīng)全部完成；（也就是上面所說(shuō)的可以解決有序性問(wèn)題的方法）
2）它會(huì)強(qiáng)制將對(duì)緩存的修改操作立即寫入主存；
3）如果是寫操作，它會(huì)導(dǎo)致其他CPU中對(duì)應(yīng)的緩存行無(wú)效。（只能重新去主內(nèi)存讀取最新的數(shù)據(jù)）
?
但：
volatile仍然在執(zhí)行一個(gè)從主存加載到工作內(nèi)存，并且將變更的值寫回主存的操作，但是：
1，volatile保證每次讀取該變量前，都判斷當(dāng)前值是否已經(jīng)失效（即是否已經(jīng)與主存不一致）（如何判斷？即是每次訪問(wèn)這個(gè)變量時(shí)，都回去主存中查看并比較? CAS），如果已經(jīng)失效，則從主存load最新的變量；（但是，如果不讀取該變量值，那就沒(méi)辦法了。比如剛剛的自增，A++，A已經(jīng)讀取過(guò)了，不需要再次讀取，所以該線程就不知道該變量已經(jīng)失效了）。
2，volatile保證每次對(duì)該變量做出修改時(shí)，都立即寫入主存；
?
使用volatile關(guān)鍵字的場(chǎng)景
synchronized關(guān)鍵字是防止多個(gè)線程同時(shí)執(zhí)行一段代碼，那么就會(huì)很影響程序執(zhí)行效率，而volatile關(guān)鍵字在某些情況下性能要優(yōu)于synchronized，但是要注意volatile關(guān)鍵字是無(wú)法替代synchronized關(guān)鍵字的，因?yàn)?strong>volatile關(guān)鍵字無(wú)法保證操作的原子性。通常來(lái)說(shuō)，使用volatile必須具備以下2個(gè)條件：
1）對(duì)變量的寫操作不依賴于當(dāng)前值
2）該變量沒(méi)有包含在具有其他變量的不變式中(同一個(gè)線程中的多個(gè)volatile變量相互獨(dú)立)
實(shí)際上，這些條件表明，可以被寫入 volatile 變量的這些有效值獨(dú)立于任何程序的狀態(tài)，包括變量的當(dāng)前狀態(tài)。
事實(shí)上，我的理解就是上面的2個(gè)條件需要保證操作是原子性操作，才能保證使用volatile關(guān)鍵字的程序在并發(fā)時(shí)能夠正確執(zhí)行。
由于在實(shí)際場(chǎng)景中我們的代碼至少會(huì)與上述兩個(gè)條件中的一個(gè)沖突，因此用synchronized比volatile多！
下面列舉幾個(gè)Java中使用volatile的幾個(gè)場(chǎng)景。
1.狀態(tài)標(biāo)記量
volatile?boolean?flag =?false;
?
while(!flag){
????doSomething();
}
?
public?void?setFlag() {
????flag =?true;
}
volatile?boolean?inited =?false;
//線程1:
context = loadContext();??
inited =?true;????????????
?
//線程2:
while(!inited ){
sleep()
}
doSomethingwithconfig(context);
2.double check
class?Singleton{
????private?volatile?static?Singleton instance =?null;
?????
????private?Singleton() {
????}
?????
????public?static?Singleton getInstance() {
????????if(instance==null){
????????????synchronized?(Singleton.class) {
????????????????if(instance==null)
????????????????????instance=?new?Singleton();
????????????}
????????}
????????return?instance;
????}
}
?
?
?
5.volatile 使用樂(lè)觀鎖（CAS） ，可保證了原子性，避免使用悲觀鎖
??????最簡(jiǎn)單的比如i++,用volatile可以保證取得的值是最新的，而cas操作可以保證你修改前后的值只+1，而不會(huì)覆蓋掉別的線程已經(jīng)修改過(guò)的值，如果別的線程已經(jīng)修改過(guò)，CAS會(huì)自動(dòng)不修改的。
??????但是沒(méi)有volatile時(shí)，原子性不保證可見(jiàn)性。
???????CAS改完可能值還在緩存里，不會(huì)馬上把工作內(nèi)存中被修改后的值 寫回 主內(nèi)存。
CAS只解決了比較和更新的原子性的問(wèn)題，要保證可見(jiàn)性，需要加鎖或者是用volatile修飾變量。
1.??????首先，聲明共享變量為volatile；
2.??????然后，使用CAS的原子條件更新來(lái)實(shí)現(xiàn)線程之間的同步；
3.??????同時(shí)，配合以volatile的讀/寫和CAS所具有的volatile讀和寫的內(nèi)存語(yǔ)義來(lái)實(shí)現(xiàn)線程之間的通信。
一句話：volatile變量的讀/寫和CAS可以實(shí)現(xiàn)線程之間的通信。把這些特性整合在一起，就形成了整個(gè)concurrent包得以實(shí)現(xiàn)的基石。
?
?
《新程序員》：云原生和全面數(shù)字化實(shí)踐50位技術(shù)專家共同創(chuàng)作，文字、視頻、音頻交互閱讀總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的多线程：volatile的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。
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