【Java并发编程】之 Volatile 关键字

我不是女神ヾ 2023-02-23 03:55 12阅读 0赞

***小王呀，你了解 JMM 吗，可以简单介绍一下吗？***

可以，JMM（JavaMemoryModel）：Java内存模型，是java虚拟机规范中所定义的一种内存模型，Java内存模型是标准化的，屏蔽掉了底层不同计算机的区别（\`注意这个跟JVM完全不是一个东西），

那正式聊之前，先大概科普一下现代计算机的内存模型吧：

早期计算机中cpu和内存的速度是差不多的，但在现代计算机中，`cpu的指令速度远超内存的存取速度`，由于计算机的存储设备与处理器的运算速度有几个数量级的差距，所以现代计算机系统都不得不加入一层读写速度尽可能接近处理器运算速度的`高速缓存（Cache）`来作为内存与处理器之间的缓冲。

将运算需要使用到的数据复制到缓存中，让运算能快速进行，当运算结束后再从缓存同步回内存之中，这样处理器就无须等待缓慢的内存读写了。

基于高速缓存的存储交互很好地解决了处理器与内存的速度矛盾，但是也为计算机系统带来更高的复杂度，因为它引入了一个新的问题：`缓存一致性（CacheCoherence）`。

在多处理器系统中，每个处理器都有自己的高速缓存，而它们又共享同一主内存（MainMemory）。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2Fpd2FuZ3Rpbmd5dW4_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

而 `Java内存模型(JavaMemoryModel)`描述了Java程序中各种变量(线程共享变量)的访问规则，以及在JVM中将变量，存储到内存和从内存中读取变量这样的底层细节。

### JMM有以下规定： ###

所有的共享变量都存储于主内存，这里所说的变量指的是实例变量和类变量，不包含局部变量，因为局部变量是线程私有的，因此不存在竞争问题。

每一个线程还存在自己的工作内存，线程的工作内存，保留了被线程使用的变量的工作副本。

`线程对变量的所有的操作(读，取)都必须在工作内存中完成，而不能直接读写主内存中的变量`。

不同线程之间也不能直接访问对方工作内存中的变量，线程间变量的值的传递需要通过主内存中转来完成。

### 本地内存和主内存的关系： ###

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2Fpd2FuZ3Rpbmd5dW4_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]

正是因为这样的机制，才导致了可见性问题的存在，那我们就讨论下可见性的解决方案。  
可见性的解决方案为：**加锁 synchronized** 和 **使用 Volatile 修饰共享变量**

***为什么加锁可以解决可见性问题？***

因为某一个线程进入synchronized代码块前后，线程会获得锁，清空工作内存，从主内存拷贝共享变量最新的值到工作内存成为副本，执行代码，将修改后的副本的值刷新回主内存中，线程释放锁。而获取不到锁的线程会阻塞等待，所以变量的值肯定一直都是最新的。

***Volatile 的作用原理什么？***

每个线程操作数据的时候会把数据从主内存读取到自己的工作内存，如果他操作了数据并且修改了值，其他已经读取的线程的变量副本就会失效了，需要对数据进行操作时又要再次去主内存中读取了。

volatile保证不同线程对共享变量操作的可见性，也就是说一个线程修改了volatile修饰的变量，当修改写回主内存时，另外一个线程立即看到最新的值。

***Volatile 还有其他什么效果吗？***

还有，可以**禁止指令重排序**。

***什么是指令重排序？***

为了提高性能，编译器和处理器常常会对既定的代码执行顺序进行指令重排序。

***重排序的类型有哪些呢？源码到最终执行会经过哪些重排序呢？***

![在这里插入图片描述][20200705110622746.png_pic_center]  
一个好的内存模型实际上会放松对处理器和编译器规则的束缚，也就是说软件技术和硬件技术都为同一个目标，而进行奋斗：在不改变程序执行结果的前提下，尽可能提高执行效率。

JMM对底层尽量减少约束，使其能够发挥自身优势，因此，在执行程序时，为了提高性能，编译器和处理器常常会对指令进行重排序。

一般重排序可以分为如下三种：

*  编译器优化的重排序。编译器在不改变单线程程序语义的前提下，可以重新安排语句的执行顺序;
 *  指令级并行的重排序。现代处理器采用了指令级并行技术来将多条指令重叠执行。如果不存在数据依赖性，处理器可以改变语句对应机器指令的执行顺序;
 *  内存系统的重排序。由于处理器使用缓存和读/写缓冲区，这使得加载和存储操作看上去可能是在乱序执行的。

***volatile与synchronized有什么区别？***

*  volatile只能修饰实例变量和类变量，而synchronized可以修饰方法，以及代码块。
 *  volatile保证数据的可见性，但是不保证原子性(多线程进行写操作，不保证线程安全);而synchronized是一种排他(互斥)的机制。
 *  volatile用于禁止指令重排序：可以解决单例双重检查对象初始化代码执行乱序问题。volatile可以看做是轻量版的synchronized，volatile不保证原子性，但是如果是对一个共享变量进行多个线程的赋值，而没有其他的操作，那么就可以用volatile来代替synchronized，因为赋值本身是有原子性的，而volatile又保证了可见性，所以就可以保证线程安全了。

### **下面对 Volatile 进行总结一下：** ###

1.  volatile修饰符适用于以下场景：某个属性被多个线程共享，其中有一个线程修改了此属性，其他线程可以立即得到修改后的值，比如booleanflag;或者作为触发器，实现轻量级同步。
2.  volatile属性的读写操作都是无锁的，它不能替代synchronized，因为它没有提供原子性和互斥性。因为无锁，不需要花费时间在获取锁和释放锁\_上，所以说它是低成本的。
3.  volatile只能作用于属性，我们用volatile修饰属性，这样compilers就不会对这个属性做指令重排序。
4.  volatile提供了可见性，任何一个线程对其的修改将立马对其他线程可见，volatile属性不会被线程缓存，始终从主 存中读取。
5.  volatile提供了happens-before保证，对volatile变量v的写入happens-before所有其他线程后续对v的读操作。
6.  volatile可以使得long和double的赋值是原子的。
7.  volatile可以在单例双重检查中实现可见性和禁止指令重排序，从而保证安全性。

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