volatile讲解

逃离我推掉我的手 2021-12-16 23:45 287阅读 0赞

## 一、Java 内存模型中的可见性、原子性和有序性 ##

**可见性：**

**指当多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了这个变量的值，其他线程能够立即看得到修改的值。**也就是一个线程修改的结果，另一个线程马上就能看到。比如：用volatile修饰的变量，就会具有可见性。volatile修饰的变量不允许线程内部缓存和重排序，即直接修改内存。所以对其他线程是可见的。但是这里需要注意一个问题，volatile只能让被他修饰内容具有可见性，但不能保证它具有原子性。比如 volatile int a = 0；之后有一个操作 a++；这个变量a具有可见性，但是a++ 依然是一个非原子操作，也就是这个操作同样存在线程安全问题。

在 Java 中 volatile、synchronized、Lock 和 final 实现可见性。

**原子性：**

**即一个操作或者多个操作要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断，要么就都不执行。**比如 a=0；（a非long和double类型） 这个操作是不可分割的，那么我们说这个操作是原子操作。再比如：a++； 这个操作实际是a = a + 1；是可分割的，所以他不是一个原子操作。非原子操作都会存在线程安全问题，需要我们使用同步技术（sychronized）来让它变成一个原子操作。一个操作是原子操作，那么我们称它具有原子性。java的concurrent包下提供了一些原子类，我们可以通过阅读API来了解这些原子类的用法。比如：AtomicInteger、AtomicLong、AtomicReference等。

在 Java 中 synchronized 和 Lock 操作保证原子性。

**有序性：**

**即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。**一般来说，处理器为了提高程序运行效率，可能会对输入代码进行优化，它不保证程序中各个语句的执行先后顺序同代码中的顺序一致，但是它会保证程序最终执行结果和代码顺序执行的结果是一致的。Java 语言提供了 volatile 和 synchronized 两个关键字来保证线程之间操作的有序性，volatile 是因为其本身包含“禁止指令重排序”的语义，synchronized 是由“一个变量在同一个时刻只允许一条线程对其进行 lock 操作”这条规则获得的，此规则决定了持有同一个对象锁的两个同步块只能串行执行。

**下面内容摘录自《Java Concurrency in Practice》：**下面一段代码在多线程环境下，将存在问题。

public class NoVisibility {
        private static boolean ready;
        private static int number;
        private static class ReaderThread extends Thread {
            @Override
            public void run() {
                while(!ready) {
                    Thread.yield();
                }
                System.out.println(number);
            }
        }
        public static void main(String[] args) {
            new ReaderThread().start();
            number = 42;
            ready = true;
        }
    }

NoVisibility可能会持续循环下去，因为读线程可能永远都看不到ready的值，甚至NoVisibility可能会输出0，或者读线程可能看到了写入ready的值，但却没有看到之后写入number的值，这种现象被称为“重排序”。只要在某个线程中无法检测到重排序情况（即使在其他线程中可以明显地看到该线程中的重排序），那么就无法确保线程中的操作将按照程序中指定的顺序来执行。当主线程首先写入number，然后在没有同步的情况下写入ready，那么读线程看到的顺序可能与写入的顺序完全相反。

在没有同步的情况下，编译器、处理器以及运行时等都可能对操作的执行顺序进行一些意想不到的调整。在缺乏足够同步的多线程程序中，要想对内存操作的执行顺序进行判断，无法得到正确的结论。

这个看上去像是一个失败的设计，但却能使JVM充分地利用现代多核处理器的强大性能。例如，在缺少同步的情况下，Java内存模型允许编译器对操作顺序进行重排序，并将数值缓存在寄存器中。此外，它还允许CPU对操作顺序进行重排序，并将数值缓存在处理器特定的缓存中。

## 二、概述 ##

在当前的Java内存模型下，每个线程都拥有自己的工作内存，在进行变量的操作之前，每个线程会先把要使用的变量从主内存读入到自己的工作内存，当对该变量操作完成后（如i++操作），再将该变量写会主内存，这就可能造成一个线程在主存中修改了一个变量的值，而另外一个线程还继续使用它在工作内存中的变量值的拷贝，造成数据的不一致，volatile关键字就是为了解决在并发编程的条件下数据不一致的问题。

## 三、Volatile原理 ##

Java语言提供了一种轻量级的同步机制，即volatile变量，用来确保将变量的更新操作通知到其他线程。当把变量声明为volatile类型后，编译器与运行时都会注意到这个变量是共享的，因此不会将该变量上的操作与其他内存操作一起重排序。volatile变量不会被缓存在寄存器或者对其他处理器不可见的地方，因此在读取volatile类型的变量时总会返回最新写入的值。

在访问volatile变量时不会执行加锁操作，因此也就不会使执行线程阻塞，因此volatile变量是一种比sychronized关键字更轻量级的同步机制。

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当对非 volatile 变量进行读写的时候，每个线程先从内存拷贝变量到CPU缓存中。如果计算机有多个CPU，每个线程可能在不同的CPU上被处理，这意味着每个线程可以拷贝到不同的 CPU cache 中。

而声明变量是 volatile 的，JVM 保证了每次读变量都从内存中读，跳过 CPU cache 这一步。

当一个变量定义为 volatile 之后，将具备两种特性：

1.  保证此变量对所有的线程的可见性，这里的“可见性”，如本文开头所述，当一个线程修改了这个变量的值，volatile 保证了新值能立即同步到主内存，以及每次使用前立即从主内存刷新。但普通变量做不到这点，普通变量的值在线程间传递均需要通过主内存（详见：[Java内存模型][Java]）来完成。
2.  禁止指令重排序优化。有volatile修饰的变量，赋值后多执行了一个“load addl $0x0, (%esp)”操作，这个操作相当于一个**内存屏障**（指令重排序时不能把后面的指令重排序到内存屏障之前的位置），只有一个CPU访问内存时，并不需要内存屏障；（什么是指令重排序：是指CPU采用了允许将多条指令不按程序规定的顺序分开发送给各相应电路单元处理）。

**volatile 性能：**volatile 的读性能消耗与普通变量几乎相同，但是写操作稍慢，因为它需要在本地代码中插入许多内存屏障指令来保证处理器不发生乱序执行。

## 四、Java的内存模型JMM以及共享变量的可见性 ##

JMM决定一个线程对共享变量的写入何时对另一个线程可见，JMM定义了线程和主内存之间的抽象关系：共享变量存储在主内存(Main Memory)中，每个线程都有一个私有的本地内存（Local Memory），本地内存保存了被该线程使用到的主内存的副本拷贝，线程对变量的所有操作都必须在工作内存中进行，而不能直接读写主内存中的变量。

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对于普通的共享变量来讲，线程A将其修改为某个值发生在线程A的本地内存中，此时还未同步到主内存中去；而线程B已经缓存了该变量的旧值，所以就导致了共享变量值的不一致。解决这种共享变量在多线程模型中的不可见性问题，较粗暴的方式自然就是加锁，但是此处使用synchronized或者Lock这些方式太重量级了，比较合理的方式其实就是volatile。

需要注意的是，JMM是个抽象的内存模型，所以所谓的本地内存，主内存都是抽象概念，并不一定就真实的对应cpu缓存和物理内存

## 五、synchronized实现可见性 ##

JMM关于synchronized的两条规定：

1.  线程解锁前，必须把共享变量的最新值刷新到主内存中
2.  线程加锁时，将清空工作内存中共享变量的值，从而使用共享变量时需要从主内存中重新获取最新的值（注意：加锁与解锁需要是同一把锁）

通过以上两点，可以看到synchronized能够实现可见性。同时，由于synchronized具有同步锁，所以它也具有原子性。

### 六、单例模式的双重锁为什么要加volatile ###

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需要volatile关键字的原因是，在并发情况下，如果没有volatile关键字，在第5行会出现问题。instance = new TestInstance();可以分解为3行伪代码：

1.  memory = allocate()   //分配内存
2.   ctorInstanc(memory)   //初始化对象
3.   instance = memory  //设置instance指向刚分配的地址

上面的代码在编译运行时，可能会出现重排序从1-2-3排序为1-3-2。在多线程的情况下会出现以下问题。线程A在执行第5行代码时，B线程进来，而此时A执行了1和3，没有执行2，此时B线程判断instance不为null，直接返回一个未初始化的对象。

参考：

[https://www.cnblogs.com/zhengbin/p/5654805.html][https_www.cnblogs.com_zhengbin_p_5654805.html]

[https://blog.csdn.net/u012723673/article/details/80682208][https_blog.csdn.net_u012723673_article_details_80682208]

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[Java]: http://www.cnblogs.com/zhengbin/p/6407137.html
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[https_www.cnblogs.com_zhengbin_p_5654805.html]: https://www.cnblogs.com/zhengbin/p/5654805.html
[https_blog.csdn.net_u012723673_article_details_80682208]: https://blog.csdn.net/u012723673/article/details/80682208