Java并发编程：volatile关键字解析

Java内存模型

在Java虚拟机规范中试图定义一种Java内存模型（Java Memory Model，JMM）来屏蔽各个硬件平台和操作系统的内存访问差异，以实现让Java程序在各种平台下都能达到一致的内存访问效果。那么Java内存模型规定了哪些东西呢，它定义了程序中变量的访问规则，往大一点说是定义了程序执行的次序。注意，为了获得较好的执行性能，Java内存模型并没有限制执行引擎使用处理器的寄存器或者高速缓存来提升指令执行速度，也没有限制编译器对指令进行重排序。也就是说，在java内存模型中，也会存在缓存一致性问题和指令重排序的问题。

Java内存模型规定所有的变量都是存在主存当中（类似于前面说的物理内存），每个线程都有自己的工作内存（类似于前面的高速缓存）。线程对变量的所有操作都必须在工作内存中进行，而不能直接对主存进行操作。并且每个线程不能访问其他线程的工作内存。

i  = 10;

执行线程必须先在自己的工作线程中对变量i所在的缓存行进行赋值操作，然后再写入主存当中。而不是直接将数值10写入主存当中。

那么Java语言 本身对 原子性、可见性以及有序性提供了哪些保证呢？

原子性

可见性

　　对于可见性，Java提供了volatile关键字来保证可见性。

　　当一个共享变量被volatile修饰时，它会保证修改的值会立即被更新到主存，当有其他线程需要读取时，它会去内存中读取新值。

　　而普通的共享变量不能保证可见性，因为普通共享变量被修改之后，什么时候被写入主存是不确定的，当其他线程去读取时，此时内存中可能还是原来的旧值，因此无法保证可见性。

　　另外，通过synchronized和Lock也能够保证可见性，synchronized和Lock能保证同一时刻只有一个线程获取锁然后执行同步代码，并且在释放锁之前会将对变量的修改刷新到主存当中。因此可以保证可见性。

有序性

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深入剖析volatile关键字

1.volatile关键字的两层语义

一旦一个共享变量（类的成员变量、类的静态成员变量）被volatile修饰之后，那么就具备了两层语义：

　　1）保证了不同线程对这个变量进行操作时的可见性，即一个线程修改了某个变量的值，这新值对其他线程来说是立即可见的。

　　2）禁止进行指令重排序。

先看一段代码，假如线程1先执行，线程2后执行：

//线程1boolean stop = false;while(!stop){    doSomething();}//线程2stop = true;

　　这段代码是很典型的一段代码，很多人在中断线程时可能都会采用这种标记办法。但是事实上，这段代码会完全运行正确么？即一定会将线程中断么？不一定，也许在大多数时候，这个代码能够把线程中断，但是也有可能会导致无法中断线程（虽然这个可能性很小，但是只要一旦发生这种情况就会造成死循环了）。

　　下面解释一下这段代码为何有可能导致无法中断线程。在前面已经解释过，每个线程在运行过程中都有自己的工作内存，那么线程1在运行的时候，会将stop变量的值拷贝一份放在自己的工作内存当中。

　　那么当线程2更改了stop变量的值之后，但是还没来得及写入主存当中，线程2转去做其他事情了，那么线程1由于不知道线程2对stop变量的更改，因此还会一直循环下去。

　　但是用volatile修饰之后就变得不一样了：　　第一：使用volatile关键字会强制将修改的值立即写入主存；　　第二：使用volatile关键字的话，当线程2进行修改时，会导致线程1的工作内存中缓存变量stop的缓存行无效（反映到硬件层的话，就是CPU的L1或者L2缓存中对应的缓存行无效）；　　第三：由于线程1的工作内存中缓存变量stop的缓存行无效，所以线程1再次读取变量stop的值时会去主存读取。　　那么在线程2修改stop值时（当然这里包括2个操作，修改线程2工作内存中的值，然后将修改后的值写入内存），会使得线程1的工作内存中缓存变量stop的缓存行无效，然后线程1读取时，发现自己的缓存行无效，它会等待缓存行对应的主存地址被更新之后，然后去对应的主存读取最新的值。　　那么线程1读取到的就是最新的正确的值。

2.volatile保证原子性吗？

public class Test {    public volatile int inc = 0;    public void increase() {        inc++;    }    public static void main(String[] args) {        final Test test = new Test();        for(int i=0;i<10;i++){            new Thread(){                public void run() {                    for(int j=0;j<1000;j++)                        test.increase();                };            }.start();        }//        while(Thread.activeCount()>1)  //保证前面的线程都执行完//            Thread.yield();        try {            Thread.sleep(6000);        } catch (InterruptedException e) {            e.printStackTrace();        }        System.out.println(test.inc);    }}

大家想一下这段程序的输出结果是多少？也许有些朋友认为是10000。但是事实上运行它会发现每次运行结果都不一致，都是一个小于10000的数字。

　　可能有的朋友就会有疑问，不对啊，上面是对变量inc进行自增操作，由于volatile保证了可见性，那么在每个线程中对inc自增完之后，在其他线程中都能看到修改后的值啊，所以有10个线程分别进行了1000次操作，那么最终inc的值应该是1000*10=10000。

　　这里面就有一个误区了，volatile关键字能保证可见性没有错，但是上面的程序错在没能保证原子性。可见性只能保证每次读取的是最新的值，但是volatile没办法保证对变量的操作的原子性。

　　在前面已经提到过，自增操作是不具备原子性的，它包括读取变量的原始值、进行加1操作、写入工作内存。那么就是说自增操作的三个子操作可能会分割开执行，就有可能导致下面这种情况出现：

　　假如某个时刻变量inc的值为10，

　　线程1对变量进行自增操作，线程1先读取了变量inc的原始值，然后线程1被阻塞了；

　　然后线程2对变量进行自增操作，线程2也去读取变量inc的原始值，由于线程1只是对变量inc进行读取操作，而没有对变量进行修改操作，所以不会导致线程2的工作内存中缓存变量inc的缓存行无效，所以线程2会直接去主存读取inc的值，发现inc的值时10，然后进行加1操作，并把11写入工作内存，最后写入主存。

　　然后线程1接着进行加1操作，由于已经读取了inc的值，注意此时在线程1的工作内存中inc的值仍然为10，所以线程1对inc进行加1操作后inc的值为11，然后将11写入工作内存，最后写入主存。

　　那么两个线程分别进行了一次自增操作后，inc只增加了1。

　　解释到这里，可能有朋友会有疑问，不对啊，前面不是保证一个变量在修改volatile变量时，会让缓存行无效吗？然后其他线程去读就会读到新的值，对，这个没错。这个就是上面的happens-before规则中的volatile变量规则，但是要注意，线程1对变量进行读取操作之后，被阻塞了的话，并没有对inc值进行修改。然后虽然volatile能保证线程2对变量inc的值读取是从内存中读取的，但是线程1没有进行修改，所以线程2根本就不会看到修改的值。

　　根源就在这里，自增操作不是原子性操作，而且volatile也无法保证对变量的任何操作都是原子性的。

解决方案：

    public synchronized void increase() {        inc++;    }

Lock lock = new ReentrantLock();    public  void increase() {        lock.lock();        try {            inc++;        } finally{            lock.unlock();        }    }

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;public class Test {    public AtomicInteger inc = new AtomicInteger();    public  void increase() {        inc.getAndIncrement();    }    public static void main(String[] args) {        final Test test = new Test();        for(int i=0;i<10;i++){            new Thread(){                public void run() {                    for(int j=0;j<1000;j++)                        test.increase();                };            }.start();        }//        while(Thread.activeCount()>1)  //保证前面的线程都执行完//            Thread.yield();        try {            Thread.sleep(5000);        } catch (InterruptedException e) {            e.printStackTrace();        }        System.out.println(test.inc);    }}

在java 1.5的java.util.concurrent.atomic包下提供了一些原子操作类，即对基本数据类型的 自增（加1操作），自减（减1操作）、以及加法操作（加一个数），减法操作（减一个数）进行了封装，保证这些操作是原子性操作。atomic是利用CAS来实现原子性操作的（Compare And Swap），CAS实际上是利用处理器提供的CMPXCHG指令实现的，而处理器执行CMPXCHG指令是一个原子性操作。
单个原子操作是线程安全的，但多个原子操作的组合有可能是非线程安全的。

3.volatile能保证有序性吗？

　　在前面提到volatile关键字能禁止指令重排序，所以volatile能在一定程度上保证有序性。
　　
volatile关键字禁止指令重排序有两层意思：

　　1）当程序执行到volatile变量的读操作或者写操作时，在其前面的操作的更改肯定全部已经进行，且结果已经对后面的操作可见；在其后面的操作肯定还没有进行；

　　2）在进行指令优化时，不能将在对volatile变量访问的语句放在其后面执行，也不能把volatile变量后面的语句放到其前面执行。

4.volatile的原理和实现机制

　　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（也称内存栅栏），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。

volatile解析

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看个例子

class MyThread28 extends Thread{//    private volatile boolean isRunning = true;    private boolean isRunning = true;    public boolean isRunning()    {        return isRunning;    }    public void setRunning(boolean isRunning)    {        this.isRunning = isRunning;    }    public void run()    {        System.out.println("进入run了");        while (isRunning == true){}        System.out.println("线程被停止了");    }}public class Test2 {    public static void main(String[] args)    {        try        {            MyThread28 mt = new MyThread28();            mt.start();            Thread.sleep(1000);            mt.setRunning(false);            System.out.println("已赋值为false");        }        catch (InterruptedException e)        {            e.printStackTrace();        }    }}

进入run了已赋值为false

也许这个结果有点奇怪，明明isRunning已经设置为false了， 线程还没停止呢？

这就要从Java内存模型（JMM）说起，这里先简单讲，虚拟机那块会详细讲的。根据JMM，Java中有一块主内存（堆），不同的线程有自己的工作内存，同一个变量值在主内存中有一份，如果线程用到了这个变量的话，自己的工作内存中有一份一模一样的拷贝。每次进入线程从主内存中拿到变量值，每次执行完线程将变量从工作内存同步回主内存中。

出现打印结果现象的原因就是主内存和工作内存中数据的不同步造成的。因为执行run()方法的时候拿到一个主内存isRunning的拷贝，而设置isRunning是在main函数中做的，换句话说 ，设置的isRunning设置的是主内存中的isRunning，更新了主内存的isRunning，线程工作内存中的isRunning没有更新，当然一直死循环了，因为对于线程来说，它的isRunning依然是true。

解决这个问题很简单，给isRunning关键字加上volatile。加上了volatile的意思是，每次读取isRunning的值的时候，都先从主内存中把isRunning同步到线程的工作内存中，再当前时刻最新的isRunning。看一下给isRunning加了volatile关键字的运行效果：

进入run了已赋值为false线程被停止了

volatile的作用就是这样，被volatile修饰的变量，保证了每次读取到的都是最新的那个值。线程安全围绕的是可见性和原子性这两个特性展开的，volatile解决的是变量在多个线程之间的可见性，但是无法保证原子性。

多提一句，synchronized除了保障了原子性外，其实也保障了可见性。因为synchronized无论是同步的方法还是同步的代码块，都会先把主内存的数据拷贝到工作内存中，同步代码块结束，会把工作内存中的数据更新到主内存中，这样主内存中的数据一定是最新的。