多线程（15）Volatile关键字的作用

怼烎@ 2024-04-24 23:08 3阅读 0赞

在Java中，`volatile`关键字是一种轻量级的同步机制，用来保证变量的可见性和禁止指令重排序。对于多线程程序来说，理解并正确使用`volatile`关键字是非常重要的。在深入探讨`volatile`的作用之前，首先需要了解Java内存模型（Java Memory Model，JMM）以及线程之间如何通过内存进行交互。

#### Java内存模型（JMM） ####

Java内存模型定义了共享变量的可见性、原子性以及有序性规则。它描述了多线程通过内存来相互通信的过程，其中涉及到主内存、工作内存、内存操作以及重排序的概念。

*  **主内存（Main Memory）**：所有线程共享的内存区域，存储了实例字段、静态字段等数据。
 *  **工作内存（Working Memory）**：每个线程的私有内存，包含了线程使用到的变量的副本。
 *  **内存操作**：线程执行操作时，需要将变量从主内存拷贝到自己的工作内存，操作完毕后再写回主内存。
 *  **重排序（Reordering）**：编译器和处理器为了优化程序性能可能会改变指令的执行顺序，但不保证程序执行的有序性。

#### `volatile`的作用 ####

##### 保证变量的可见性 #####

在没有`volatile`修饰的多线程环境下，线程对变量的读写操作首先是在各自的工作内存中进行的，然后再同步回主内存。这可能导致一个线程修改了某个变量的值后，其他线程看到的仍旧是旧值，因为更新后的值尚未写回主内存或者其他线程没有从主内存中重新读取。

当一个字段被声明为`volatile`后，所有对这个变量的读写操作都必须直接操作主内存中的变量，从而保证了不同线程间该变量的可见性。即一个线程修改了一个`volatile`变量后，其他线程立即就能看到这个修改。

##### 禁止指令重排序 #####

`volatile`关键字还可以禁止指令重排序优化，它保证了特定变量的读/写操作不会被编译器或者处理器重排序到其他内存操作之前或之后。这样就可以在一定程度上保证有序性，即写入`volatile`变量后，之前的操作不会被重排序到写操作之后；读取`volatile`变量后，之后的操作不会被重排序到读操作之前。

#### `volatile`和同步的区别 ####

虽然`volatile`可以在某些情况下替代`synchronized`来实现线程安全，但两者的作用并不完全相同。`synchronized`不仅保证变量的可见性和有序性，而且还保证了原子性，即当某个线程访问某个对象的`synchronized`方法或代码块时，其他所有线程对该对象的所有`synchronized`方法或代码块的访问将被阻塞。

相比之下，`volatile`并不保证操作的原子性。例如，在自增操作`count++`中，即使`count`是`volatile`变量，自增操作也不是原子性的，需要使用`synchronized`来保证自增操作的原子性。

#### 使用`volatile`的情形 ####

*  **状态标志**：用`volatile`变量作为状态标志，通知其他线程某一事件已经发生。
 *  **双重检查锁定（Double-Checked Locking）**：用于延迟初始化的资源，如单例模式。
 *  **不依赖于当前值的状态变更**：操作不需要依赖当前值或能够确保只有单一的线程修改变量值。

#### `volatile`的局限性 ####

*  **非原子性操作**：对于非原子性操作，如自增、自减等，`volatile`不能保证线程安全。
 *  **复合操作**：当多个`volatile`变量组成的复合操作需要原子性保证时，`volatile`无法满足要求。

#### 总结 ####

`volatile`关键字是Java并发编程中一个关键的概念，它通过保证变量的可见性和有序性来实现线程间的通信。尽管`volatile`相比于锁提供了一种更轻量级的同步策略，但它并不能解决所有并发问题，特别是当涉及到复合操作的原子性时。开发者在使用`volatile`时必须非常清楚其适用场景，并且意识到它的局限性。在实际开发中，应该根据实际需求选择合适的同步机制，可能是`volatile`，也可能是`synchronized`，或者是`java.util.concurrent`包下的并发工具。