Java并发学习 3 ：volatile的应用

以你之姓@ 2021-11-13 20:31 199阅读 0赞

在Java并发编程中，synchronized和volatile 都扮演着重要的角色，volatile是轻量级的synchronzied，其在多处理器开发时保证了共享变量的"可见性".

## 问题引入：多个CPU的不可见性造成脏读 ##

我们知道CPU速度非常快，比内存快百倍以上，所以CPU更希望和速度相近的CPU cache打交道。

而一个多核的CPU本质上就是多个CPU共用一个外壳，每个核就是一个单核CPU，其都有属于自己的cache。

当更改一个变量时，CPU将值写入到对应的cache中，不一定写入内存中，这个CPU认为值已经改变了，但是其他CPU认为值没有改变。这样就会出现脏读。

## 解决方式：volatile 指令实现可见性 ##

volatile 底层是使用Lock指令。

CPU读取到lock指令后，会做以下操作。

> 1. 将对应的值先到CPU对应的cache中
> 
> 2. 将对应的值写入到内存中(就是内存条，我们称其为系统内存)
> 
> 3. 第二部的写操作会使在其他CPU里缓存了该地址的数据无效。
> 
> 4. 其他CPU当需要这个数值时，必须去重新读取内存。

这样就保证了多CPU之间的可见性。

## 问题引入：指令重排序造成线程安全问题 ##

JVM会在不影响单线程运行结果的准则下，对代码进行重排序。举个例子，

public void writer() {
        a = 1;                   //1
        flag = true;             //2
    }

虽然你写的代码是按照,"1","2"排序，但是在JVM编译后，可能顺序就是"2","1"等.

### JVM为什么这样做? ###

public void writer() {
        int i = 0;   
         a = 1;                   //1
        while (i++ != 2){
            flag = true;             //2
            a++;
        }
    
    }

很明显，循环每次都会调用flag = true,完全不必要，可以将2插入到1前后.可以增加运行效率。

### 为什么会有线程安全问题？ ###

简单来说，代码在多线程下本来就难以掌控，重排序往往会造成一些意想不到的问题。

因为我们写出来的多线程代码可能会依赖于特定的代码顺序，如果更改，那么会导致线程安全问题。

## 经典案例：基于双重检查的单例模式 ##

单例模式就是保证一个类始终只有一个对象的一种编码方法。我们可以很容易的写出来一个单线程下的单例饿汉模式

public class Singleton {  
        private static Singleton instance;  
        private Singleton (){}  
      
        public static Singleton getInstance() {  
            if (instance == null) {  
                // 可能同时有多个线程进入if中
                instance = new Singleton();  
            }  
            return instance;  
        }  
    }

在多线程时，可以会new出多个实例.

我们可以通过synchronized关键子锁住这个方法，保证其线程安全。

public class Singleton {  
        private static Singleton instance;  
        private Singleton (){}  
        public static synchronized Singleton getInstance() {  
            if (instance == null) {  
                instance = new Singleton();  
            }  
            return instance;  
        }  
    }

synchronized是把这个方法锁成一个单线程方法,效率降低十分明显。

我们通过volatile进行优化，将其synchronized锁的粒度减小。

// 3 所在行其实有三句话

1.  分配内存空间
2.  将对象指向刚分配的内存空间
3.  初始化对象

JVM会对代码进行重排序(为了优化速度)

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>Time</th> 
   <th>Thread A</th> 
   <th>Thread B</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>T1</td> 
   <td>检查到<code>uniqueSingleton</code>为空</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>T2</td> 
   <td>获取锁</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>T3</td> 
   <td>再次检查到<code>uniqueSingleton</code>为空</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>T4</td> 
   <td>为<code>uniqueSingleton</code>分配内存空间</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>T5</td> 
   <td>将<code>uniqueSingleton</code>指向内存空间</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>T6</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>检查到<code>uniqueSingleton</code>不为空</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>T7</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>访问<code>uniqueSingleton</code>（此时对象还未完成初始化）</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>T8</td> 
   <td>初始化<code>uniqueSingleton</code></td> 
   <td>&nbsp;</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

所以需要使用volatile关键字，防止指令重排序导致的线程安全问题。