volatile关键字是否能保证线程安全

红太狼 2024-04-17 23:40 69阅读 0赞

在当前高并发的时代，不懂一点高并发多线程都不好意思出去，即使没地方使用，网上大多数相关文档博客也都讲解了这些部分。

我并不想具体介绍什么是volatile，我写这篇博客目的是说明白为什么volatile保证不了线程安全。想要线程安全必须保证原子性，可见性，有序性。而volatile只能保证可见性和有序性

在说明这个问题之前，首先还是要说明下cpu和内存，cpu和内存直接是有高速缓存的，一般分为多级。cpu首先是要从内存中读取一个数据进缓存，然后从缓存中读取进行操作，将结果返回给缓存，再把缓存写回内存。

如果同一个变量i=0，有两个线程执行i++方法，线程1把i从内存中读取进缓存，而现在线程2也把i读取进缓存，两个线程执行完i++后，线程1写回内存，i = 1，线程2也写回内存i = 1，两次++结果最终值为1，这就是著名的缓存一致性问题。为了解决这个问题，前人给了两种方案

总线锁

缓存一致性协议

cpu为了和各个硬件打交道方便，设计师们把每个硬件都连接一个线到cpu，但是发现这样太麻烦了，所以改为所有硬件都挂在总线上，cpu通过总线和各个硬件打交道。如果使用总线锁，就阻塞了其他cpu和其他硬件交互(内存之类，磁盘，等等),i++这条语句就必须执行完了，其他cpu才能执行，否则只能一个cpu去和硬件交互。这也是一种解决办法，问题也明显，特别效率低下。

为了解决这个问题提出缓存一致性协议，具体协议就不讲，简单解释一下，如果我写入之后发现这是共享变量就使得其他cpu缓存了的值失效，让它再次去内存中读取。

下面这段话摘自《深入理解Java虚拟机》：

“观察加入volatile关键字和没有加入volatile关键字时所生成的汇编代码发现，加入volatile关键字时，会多出一个lock前缀指令”

lock前缀指令实际上相当于一个内存屏障（也成内存栅栏），内存屏障会提供3个功能：

1）它确保指令重排序时不会把其后面的指令排到内存屏障之前的位置，也不会把前面的指令排到内存屏障的后面；即在执行到内存屏障这句指令时，在它前面的操作已经全部完成；

2）它会强制将对缓存的修改操作立即写入主存；

3）如果是写操作，它会导致其他CPU中对应的缓存行无效。

解释一下这段话的内容，重排序的指代码的真正执行过程可能不是代码书写的顺序，这是为了是cpu流水线作业提高cpu的利用率而优化的一门技术。

而lock前缀指令(内存屏障),一个屏障会把这个屏障前写入的数据刷新到内存，这样任何试图读取该数据的线程将得到最新值，而不用考虑到底是被哪个cpu核心或者哪颗CPU执行的。如果你的字段是volatile，Java内存模型将在写操作后插入一个写屏障指令，在读操作前插入一个读屏障指令。

这样咋一看貌似可以保证线程的安全性呀，为啥不能保证呢

这样如果有一个变量i = 0用volatile修饰，两个线程对其进行i++操作，如果线程1从内存中读取i=0进了缓存，然后把数据读入寄存器，之后时间片用完了，然后线程2也从内存中读取i进缓存，因为线程1还未执行写操作，内存屏障是插入在写操作之后的指令，意味着还未触发这个指令，所以缓存行是不会失效的。然后线程2执行完毕，内存中i=1，然后线程1又开始执行，然后将数据写回缓存再写回内存，结果还是1。