volatile变量与普通变量的区别

Java团长 2017-10-06 22:46

我们通常会用volatile实现一些需要线程安全的代码（也有很多人不敢用，因为不了解），但事实上volatile本身并不是线程安全的，相对于synchoronized，它有更多的使用局限性，只能限制在某些特定的场景。本篇文章的目的就是让大家对 volatile 在本质上有个把握，为了达到这个目的，我们会从java 的内存模型及变量操作的内存管理来说明（不用怕，你会发现很简单）。

一、内存模型

可以将内存简单分为两种：工作内存和主内存。所有的数据最终都需要存储在主内存，工作内存是线程独有的，线程之间无任何干扰。java的内存模型主要就是定义工作内存和主内存的交互，即工作内存如何从主内存拷贝数据，以入如何写数据。java 定义了8种原子性操作来完成工作内存与主内存的交互：

• lock 将对象变成线程独占的状态

• unlock 将线程独占状态的对象的锁释放出来

• read 从主内存读数据

• load 将从主内存读取的数据写入工作内存

• use 工作内存使用对象

• assign 对工作内存中的对象进行赋值

• store 将工作内存中的对象传送到主内存当中

• write 将对象写入主内存当中，并覆盖旧值

这些操作也是有一定的条件限制的:

read 和load，store和write 必须成对出现，即从主内存中读取的数据数据在工作内存必须接受；传递到主内存的数据，也不可以被拒绝写入。

assign后的对象必须回写到缓存

未进行新赋值的对象不允许回写到主内存

新的变量只能在主内存产生，且未完成初始化的对象不允许在工作内存中使用

对象只允许被一条线程锁定，且可以被此线程多次锁定

未被锁定的对象不允许执行unlock操作

对一个对象执行unlock之前，必须将对象回写到主内存

java的8种原子性操作，相互之前有一定的约束条件，但并没有严格限制任意两个操作必须连续出现，只是表示成对出现，这也是为什么会产生线程不安全性的原因。

介绍了上述的背景知识，那我们就来看一下volatile变量到底和普通变量有啥差别吧

二、volatile变量与普通变量

2.1 volatile 的安全性

下面我们用一个例子来说明volatile变量与普通变量的区别。

假设有两个线程操作一个主内存的对象，且线程1早于线程2开始（如下例如示一个a++操作））

public class ThreadSafeTest { public static int a = 0; public static void increase() { a++; } public static void main (String[] args) { Thread t1 = new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { for (int j = 0; j < 100; j++) { increase(); } } }); Thread t2 = new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { for (int j = 0; j < 100; j++) { increase(); } } }); t1.start(); t2.start(); }}

线程2读取主内存对象（a）时，可能发生在几个时期：read之前、read之后、load之后、use之后、assign之后、 store之后、write之后（如下图所示）；

假设线程1执行了a++,a从0变成了1，还未来得及写回主内存对象，线程2从主内存对象中读取的数据a=0;此时线程1写入主内存a=1,而线程2仍然执行完了a++ ，此时仍然 等于1（应该等于2），实际上，这就上相当于线程2 读入了一个过期的数据，导致线程不安全。

那如果将a变成volatile对象是否就正确了呢？

volatile对对象的操作做了更严格的限制：

• use之前不进行read和load

• assign之后必须紧跟store和write

  实际相当于将read load use 三个原子操作变成一个原子操作；将assign-store-write变成一个原子操作。很多文章上都讲volatile对所有的线程是可见的，指的就是执行完了assign之后立即就会回写主内存；在任意一个线程读取主内存对象时，都会刷新主内存。在主内存中表现是数据一致性的，但是各线程内存当中却不一定是一致性的。

  同样是上面的代码，换成volatile

• public class ThreadSafeTest {

• public static volatile int a = 0;

• public static void increase() { a++;}

• public static void main (String[] args) { 

• Thread t1 = new Thread(new Runnable() { 

• @Override 

• public void run() { for (int j = 0; j < 100; j++) { increase(); } } }); 

• Thread t2 = new Thread(new Runnable() { 

• @Override 

• public void run() { for (int j = 0; j < 100; j++) { increase(); } } }); 

• t1.start(); 

• t2.start();}}

运行后发现，也拿不到正确的结果（如果拿到请把j的数值调大）。操你妈，不是说是线程安全的变量吗？为啥也不正确？

这是因为线程内部的数据仍然有可能存在不一致性，比如，如果线程2读取数据时，处在线程1use之后，但线程1此时还未来得及回写主缓存，这时候线程2使用到的数据仍然是0，两个线程同时对0++，得到的结果只会是1，而不是理想中的2。

2.2 volatile 的线程安全是有条件的

即然volatile 是非线程安全的，那要它还有什么用呢？如果你看过我写过的“线程安全”的文章应该知道，所有的对象都是相对线程安全的，也就是有条件的。volatile的线程安全当然也是有条件的，它是对synchronized这一重量级线程同步的一种补充，其整体性能上优于synchronized。那volatile的线程安全的条件是什么呢？适合使用在哪些场景？

《java虚拟机》给出两个条件:

• 运算结果并不依赖变量的当前值（即结果对产生中间结果不依赖），或者能够确保只有单一的线程修改变量的值

• 变量不需要与其它的状态变量共同参与不变约束（我认为此条多此一举，这个其它变量也必须得是线程安全的才行）

那适合哪些场景呢？这个我就不一一举例了

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