多线程：volatile
volatile關鍵字雖然從字面上理解起來比較簡單，但是要用好不是一件容易的事情。由于volatile關鍵字是與Java的內存模型有關的，因此在了解volatile關鍵字時，可以先看一下上一篇博客了解一下與內存模型相關的概念和知識，然后此片文章才分析volatile關鍵字的實現原理，在給出了幾個使用volatile關鍵字的場景。
深入剖析volatile關鍵字
volatile 修飾的成員變量在每次被線程訪問時，都強制從主存(共享內存)中重新讀取該成員變量的值（也即是CAS）。而且，當該線程中將成員變量修改時，會強制線程將變化值立即回寫到共享內存。這樣在任何時刻，兩個不同的線程總是看到某個成員變量的同一個值。
volatile保證可見性、有序性！在使用這個關鍵字之前要保證操作是原子性的！
在前面講述了很多東西，其實都是為講述volatile關鍵字作鋪墊，那么接下來我們就進入主題。
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修飾之后，那么就具備了兩層語義：
1）保證了不同線程對這個變量進行操作時的可見性，即一個線程修改了某個變量的值，這新值對其他線程來說是立即可見的。
2）禁止進行指令重排序。(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先執行，線程2后執行：
//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，很多人在中斷線程時可能都會采用這種標記辦法。但是事實上，這段代碼會完全運行正確么？即一定會將線程中斷么？不一定，也許在大多數時候，這個代碼能夠把線程中斷，但是也有可能會導致無法中斷線程（雖然這個可能性很小，但是只要一旦發生這種情況就會造成死循環了）。
下面解釋一下這段代碼為何有可能導致無法中斷線程。在前面已經解釋過，每個線程在運行過程中都有自己的工作內存，那么線程1在運行的時候，會將stop變量的值拷貝一份放在自己的工作內存當中。
那么當線程2更改了stop變量的值之后，但是還沒來得及寫入主存當中，線程2轉去做其他事情了，那么線程1由于不知道線程2對stop變量的更改，因此還會一直循環下去。
但是用volatile修飾之后就變得不一樣了：
第一：使用volatile關鍵字會強制將修改的值立即寫入主存；
第二：使用volatile關鍵字的話，當線程2進行修改時，會導致線程1的工作內存中緩存變量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：由于線程1的工作內存中緩存變量stop的緩存行無效，所以線程1再次讀取變量stop的值時會去主存讀取。
那么在線程2修改stop值時（當然這里包括2個操作，修改線程2工作內存中的值，然后將修改后的值寫入內存），會使得線程1的工作內存中緩存變量stop的緩存行無效，然后線程1讀取時，發現自己的緩存行無效，它會等待緩存行對應的主存地址被更新之后，然后去對應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關鍵字保證了操作的可見性，但是volatile能保證對變量的操作是原子性嗎？
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); ????} } |
? 大家想一下這段程序的輸出結果是多少？也許有些朋友認為是10000。但是事實上運行它會發現每次運行結果都不一致，都是一個小于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進行自增操作，由于volatile保證了可見性，那么在每個線程中對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個線程分別進行了1000次操作，那么最終inc的值應該是1000*10=10000。
這里面就有一個誤區了，volatile關鍵字能保證可見性沒有錯，但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，但是volatile沒辦法保證對變量的操作的原子性。
在前面已經提到過，自增操作是不具備原子性的，它包括讀取變量的原始值、進行加1操作、寫入工作內存。那么就是說自增操作的三個子操作可能會分割開執行，就有可能導致下面這種情況出現：
假如某個時刻變量inc的值為10，
線程1對變量進行自增操作，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對變量進行自增操作，線程2也去讀取變量inc的原始值，由于線程1只是對變量inc進行讀取操作，而沒有對變量進行修改操作，所以不會導致線程2的工作內存中緩存變量inc的緩存行無效，所以線程2會直接去主存讀取inc的值，發現inc的值時10，然后進行加1操作，并把11寫入工作內存，最后寫入主存。
然后線程1接著進行加1操作，由于已經讀取了inc的值，注意此時在線程1的工作內存中inc的值仍然為10，所以線程1對inc進行加1操作后inc的值為11，然后將11寫入工作內存，最后寫入主存。
那么兩個線程分別進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？然后其他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（寫先于讀，但是只讀沒寫，其他的線程也就無法看到，那么都讀完，再一起寫，等于只存入了慢寫的那個值），但是要注意，線程1對變量進行讀取操作之后，被阻塞了的話，并沒有對inc值進行修改。然后雖然volatile能保證線程2對變量inc的值讀取是從內存中讀取的，但是線程1沒有進行修改，所以線程2根本就不會看到修改的值。
此處的解釋應該多一句：可見性只是保證每次去讀的是最新值，是別的線程修改更新過的，然而如果已經讀好了，但是沒操作，然后別人已經操作過了，你此時再修改完inc再去覆蓋掉別人修改過的，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例子：
Boolean b = false；//線程1
While（！b）｛
｝
b=true;//線程2
這個是每次線程1在循環的時候，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（要經過讀取b的值，判斷b，執行，這個過程），都是要去讀取看b在主內存是怎么樣的一種形態。而上面說到的b++，已經讀取了，只是沒有操作++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也無法保證對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，即對基本數據類型的自增（加1操作），自減（減1操作）、以及加法操作（加一個數），減法操作（減一個數）進行了封裝，保證這些操作是原子性操作。atomic是利用CAS來實現原子性操作的（Compare And Swap），CAS實際上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作。
?
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，所以volatile能在一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變量的讀操作或者寫操作時，在其前面的操作的更改肯定全部已經進行，且結果已經對后面的操作可見；在其后面的操作肯定還沒有進行；
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后面執行，也不能把volatile變量后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為非volatile變量 //flag為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 |
? 由于flag變量為volatile變量，那么在進行指令重排序的過程的時候，不會將語句3放到語句1、語句2前面，也不會講語句3放到語句4、語句5后面。但是要注意語句1和語句2的順序、語句4和語句5的順序是不作任何保證的。
并且volatile關鍵字能保證，執行到語句3時，語句1和語句2必定是執行完畢了的，且語句1和語句2的執行結果對語句3、語句4、語句5是可見的。
那么我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之前執行，那么久可能導致context還沒被初始化，而線程2中就使用未初始化的context去進行操作，導致程序出錯。
這里如果用volatile關鍵字對inited變量進行修飾，就不會出現這種問題了，因為當執行到語句2時，必定能保證context已經初始化完畢。
4.volatile的原理和實現機制
前面講述了源于volatile關鍵字的一些使用，下面我們來探討一下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《深入理解Java虛擬機》：
“觀察加入volatile關鍵字和沒有加入volatile關鍵字時所生成的匯編代碼發現，加入volatile關鍵字時，會多出一個lock前綴指令”
lock前綴指令實際上相當于一個內存屏障（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后面的指令排到內存屏障之前的位置，也不會把前面的指令排到內存屏障的后面；即在執行到內存屏障這句指令時，在它前面的操作已經全部完成；（也就是上面所說的可以解決有序性問題的方法）
2）它會強制將對緩存的修改操作立即寫入主存；
3）如果是寫操作，它會導致其他CPU中對應的緩存行無效。（只能重新去主內存讀取最新的數據）
?
但：
volatile仍然在執行一個從主存加載到工作內存，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，都判斷當前值是否已經失效（即是否已經與主存不一致）（如何判斷？即是每次訪問這個變量時，都回去主存中查看并比較? CAS），如果已經失效，則從主存load最新的變量；（但是，如果不讀取該變量值，那就沒辦法了。比如剛剛的自增，A++，A已經讀取過了，不需要再次讀取，所以該線程就不知道該變量已經失效了）。
2，volatile保證每次對該變量做出修改時，都立即寫入主存；
?
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，那么就會很影響程序執行效率，而volatile關鍵字在某些情況下性能要優于synchronized，但是要注意volatile關鍵字是無法替代synchronized關鍵字的，因為volatile關鍵字無法保證操作的原子性。通常來說，使用volatile必須具備以下2個條件：
1）對變量的寫操作不依賴于當前值
2）該變量沒有包含在具有其他變量的不變式中(同一個線程中的多個volatile變量相互獨立)
實際上，這些條件表明，可以被寫入 volatile 變量的這些有效值獨立于任何程序的狀態，包括變量的當前狀態。
事實上，我的理解就是上面的2個條件需要保證操作是原子性操作，才能保證使用volatile關鍵字的程序在并發時能夠正確執行。
由于在實際場景中我們的代碼至少會與上述兩個條件中的一個沖突，因此用synchronized比volatile多！
下面列舉幾個Java中使用volatile的幾個場景。
1.狀態標記量
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 使用樂觀鎖（CAS） ，可保證了原子性，避免使用悲觀鎖
??????最簡單的比如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，而不會覆蓋掉別的線程已經修改過的值，如果別的線程已經修改過，CAS會自動不修改的。
??????但是沒有volatile時，原子性不保證可見性。
???????CAS改完可能值還在緩存里，不會馬上把工作內存中被修改后的值 寫回 主內存。
CAS只解決了比較和更新的原子性的問題，要保證可見性，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的原子條件更新來實現線程之間的同步；
3.??????同時，配合以volatile的讀/寫和CAS所具有的volatile讀和寫的內存語義來實現線程之間的通信。
一句話：volatile變量的讀/寫和CAS可以實現線程之間的通信。把這些特性整合在一起，就形成了整個concurrent包得以實現的基石。
?
?
《新程序員》：云原生和全面數字化實踐50位技術專家共同創作，文字、視頻、音頻交互閱讀總結
以上是生活随笔為你收集整理的多线程：volatile的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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