volatile关键字解析

来源：互联网发布：三级数据库题型编辑：程序博客网时间：2024/06/14 06:06

volatile关键字在jdk1.5 之前都是充满争议性的的，在jdk1.5 之后才算是焕发出了新的生命，volatile关键字的意思很简单：即通知内存其所修饰的最新变化，防止出现内存不一致的情况。

volatile关键字的实现原理和数据的存储原理分不开。大概可以从以下3个方面来进行解释：首先是内存模型，其次是并发编程的三个基本概念，最后Java的内存模型。理解了这三个之后，才能明白volatile的实现原理和使用场景。

首先是内存模型：计算机的指令是CPU来执行的，CPU的数据是从内存里获得的，但是CPU和内存之间还有一个缓存，也就是说CPU执行所需的数据最直接是从缓存中获得的。执行结果也会进入到缓存里，然后再写入内存里。这样基本上就可以明白使用多线程时可能会出现什么问题了：内存不一致。即程序指令运行完的结果没有及时存储到内存中，导致其他指令取得的数据不是该指令运算出来的最新数据所产生的错误。

并发编程的三个基本概念：1)、原子性：即不可分割，指令进程不可中断，要不然就直接不执行，比如说银行账户转钱的问题，A向B中转1000元，操作流程不外乎是A账户中减少1000元，B账户增加1000元，相信大家都能看出来这两个指令绝对不能断开运行，更不能中断。2）、可见性：即多线程访问同一个变量时，一个线程修改了当前的变量的值，其他线程必须能够立即看见（大部分的线程问题多处在这个上边），变量的时效性问题。3）、有序性：处理器在执行指令的时候，为了提高效率会在考虑数据的依赖性的情况下将指令指令从新进行排序，最后会保证结果和顺序执行结果是一样的。但是效果是一样的，这个保证对单线程是有效的，但是对于多线程就呵呵了看下边的栗子：

//线程1:
context = loadContext();   //语句1
inited = true;            //语句2
 
//线程2:
while(!inited ){
  sleep()
}
doSomethingwithconfig(context);

由于语句1和语句2没有数据依赖性，因此可能会被重排序。假如发生了重排序，在线程1执行过程中先执行语句2，而此是线程2会以为初始化工作已经完成，那么就会跳出while循环，去执行doSomethingwithconfig(context)方法，而此时context并没有被初始化，就会导致程序出错。也就是说，要想并发程序正确地执行，必须要保证原子性、可见性以及有序性。只要有一个没有被保证，就有可能会导致程序运行不正确。

Java的内存模型：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。

Java本身对原子性、可见性以及有序性提供的保证。1）、首先是原子性：Java对基本数据变量的读取和赋值是原子性的，即不可中断，不可分割。2）、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。3）、有序性：在Java内存模型中，允许编译器和处理器对指令进行重排序，但是重排序过程不会影响到单线程程序的执行，却会影响到多线程并发执行的正确性。在Java里面，可以通过volatile关键字来保证一定的“有序性”（具体原理在下一节讲述）。另外可以通过synchronized和Lock来保证有序性，很显然，synchronized和Lock保证每个时刻是有一个线程执行同步代码，相当于是让线程顺序执行同步代码，自然就保证了有序性。

开始解析关键字volatile对变量：1、保证不同线程对这个变量操作时的可见性，即一个线程改变了由volatile修饰的变量，那么当这个变量的值发生改变时对其他线程来说这是立即能知道的。2、禁止指令重排。

原理是：1）、在volatile修饰是会将变量修改的值强制写入到主存里。2）、当变量法生改变时会导致其他线程缓存里的变量值无效，导致其他线程重新去主存里读取变量值，解决变量不一致的问题。

需要注意的问题： volatile是不保证指令的原子性的，即当指令出现非原子性操作的时候，如果不注意控制的话就会出现并发性问题。下边就是一个栗子

publicclassTest {
    publicvolatileint inc = 0;
 
    publicvoidincrease() {
        inc++;
    }
 
    publicstaticvoid main(String[] args) {
        finalTest test = newTest();
        for(inti=0;i<10;i++){
            newThread(){
                publicvoidrun() {
                    for(intj=0;j<1000;j++)
                        test.increase();
                };
            }.start();
        }
 
        while(Thread.activeCount()>1) //保证前面的线程都执行完
            Thread.yield();
        System.out.println(test.inc);
    }
}

因为Inc++不是一个原子性操作：其中包括了三个操作：先取得Inc的值，然后在进行+1的操作，最后得到Inc的值，陷入原子性操作的时候，多线程就会出现问题了。比如：当一个线程执行Inc=3操作时，线程暂时停在那，另外一个线程开始进行运行，因为此时只是对线程进行读取，所以volatile并不会发动，当另外一个线程走完流程时，Inc出现了+1的效果，此时暂停的那个线程开始启动，但是他手里的值还是没有+1的效果。当运行完时，结果还是运行了两次Inc++的操作但是只得到一次增加的效果。解决方法也很简单，只需要在Inc++那个方法上加个锁就可以了。

volatile有禁止从新排列的效果，所以基本上是可以保证有序性的，其效果是：volatile修饰的关键字不会进行排序，且会保证其前面的语句运行完成。

Java的编译原理：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。

应用场景：其实一句话：volatile是不能保证原子性操作的，所以，如果能保证指令原子性操作的情况下，就可以随意使用volatile关键字了。用官方术语来解释就是：

1）对变量的写操作不依赖于当前值

2）该变量没有包含在具有其他变量的不变式中

阅读全文

0 0