JAVA——volatile变量应用详解

来源：互联网发布：三千网络创业平台编辑：程序博客网时间：2024/06/03 13:14

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volatile的作用：

volatile的作用是作为指令关键字，确保本条指令不会因编译器的优化而省略，且要求每次直接读值，它在多处理器开发中保证了共享变量的“可见性”，可见性的意思是当一个线程修改一个共享变量时，另外一个线程能读到这个修改的值。Java语言规范第三版中对volatile的定义如下： java编程语言允许线程访问共享变量，为了确保共享变量能被准确和一致的更新，线程应该确保通过排他锁单独获得这个变量。Java语言提供了volatile，在某些情况下比锁更加方便。如果一个字段被声明成volatile，java线程内存模型确保所有线程看到这个变量的值是一致的。

简单来说，volatile变量最主要的作用是保证多线程间读数据不会读到脏数据。例如：线程一与线程二中都有变量P，线程一在执行过程中将P的值进行了修改，此时线程二要读取变量P的值进行操作，而这时线程二读到的变量P是线程一修改之前的值，这就叫线程二读到了脏数据，解决办法就是将变量P设成volatile变量，当线程一修改P值后，会使其他线程中的P变量自动失效，当线程二要读取P时，就只能读取线程一修改后的P变量，此时就不会发生读脏数据的情况了。

Volatile变量修饰符如果使用恰当的话，它比synchronized的使用和执行成本会更低，因为它不会引起线程上下文的切换和调度，但是Volatile变量不能保证原子性，若需要进行操作的是原子操作，那么只能使用synchronized。

除此之外，volatile变量还有一个作用就是在程序语句前后两句没有直接关联时也不让线程在执行程序时交换代码顺序，起到了 “内存栅格”的作用。

volatile变量应用示例：

1、修改变量读取同步

2、 class MyThread extends Thread {

3、 private volatile boolean isStop = false; //定义volatile变量

4、 public void run() {

5、 while (!isStop) { //这里需要读取isStop的值

6、 System.out.println("do something");

7、 }

8、 }

9、 public void setStop() {

10、 isStop = true;

11、 }

12、}

线程执行run()的时候我们要在线程中进行while循环，那么这时候该如何停止线程呢？如果线程做的事情不是耗时的，那么只需要使用一个标志即可。如果需要退出时，调用setStop()即可。这里就使用了volatile变量，目的是如果修改了isStop的值，那么在while循环中可以立即读取到修改后的值。

如果线程做的事情是耗时的，那么可以使用interrupt方法终止线程。如果在子线程“睡觉”时被interrupt，那么子线程可以catch到InterruptExpection异常，处理异常后继续往下执行。

2、禁止代码指令重排

1. //线程1:

2. context = loadContext(); //语句1 context初始化操作

3. inited = true; //语句2

5. //线程2:

6. while(!inited ){

7. sleep()

8. }

9. doSomethingwithconfig(context);

因为指令重排序，有可能语句2会在语句1之前执行，可能导致context还没被初始化，而线程2中就使用未初始化的context去进行操作，导致程序出错。这里如果使用volatile对inited变量进行修饰，就不会出现这种问题了。

volatile变量实现原理及源码解析：

在x86处理器下通过工具获取JIT编译器生成的汇编指令来看看对Volatile进行写操作CPU会做什么事情：

Java代码：

instance = new Singleton();//instance是volatile变量

汇编代码：

0x01a3de1d: movb $0x0,0x1104800(%esi);0x01a3de24: lock addl $0x0,(%esp);

有volatile变量修饰的共享变量进行写操作的时候会多第二行汇编代码，通过查IA-32架构软件开发者手册可知，lock前缀的指令在多核处理器下会引发了两件事情：

1、将当前处理器缓存行的数据会写回到系统内存。

2、这个写回内存的操作会引起在其他CPU里缓存了该内存地址的数据无效。

处理器为了提高处理速度，不直接和内存进行通讯，而是先将系统内存的数据读到内部缓存（L1,L2或其他）后再进行操作，但操作完之后不知道何时会写到内存，如果对声明了Volatile变量进行写操作，JVM就会向处理器发送一条Lock前缀的指令，将这个变量所在缓存行的数据写回到系统内存。但是就算写回到内存，如果其他处理器缓存的值还是旧的，再执行计算操作就会有问题，所以在多处理器下，为了保证各个处理器的缓存是一致的，就会实现缓存一致性协议，每个处理器通过嗅探在总线上传播的数据来检查自己缓存的值是不是过期了，当处理器发现自己缓存行对应的内存地址被修改，就会将当前处理器的缓存行设置成无效状态，当处理器要对这个数据进行修改操作的时候，会强制重新从系统内存里把数据读到处理器缓存里。

Lock前缀指令会引起处理器缓存回写到内存。Lock前缀指令导致在执行指令期间，声言处理器的 LOCK# 信号。在多处理器环境中，LOCK# 信号确保在声言该信号期间，处理器可以独占使用任何共享内存。（因为它会锁住总线，导致其他CPU不能访问总线，不能访问总线就意味着不能访问系统内存），但是在最近的处理器里，LOCK＃信号一般不锁总线，而是锁缓存，毕竟锁总线开销比较大。在8.1.4章节有详细说明锁定操作对处理器缓存的影响，对于Intel486和Pentium处理器，在锁操作时，总是在总线上声言LOCK#信号。但在P6和最近的处理器中，如果访问的内存区域已经缓存在处理器内部，则不会声言LOCK#信号。相反地，它会锁定这块内存区域的缓存并回写到内存，并使用缓存一致性机制来确保修改的原子性，此操作被称为“缓存锁定”，缓存一致性机制会阻止同时修改被两个以上处理器缓存的内存区域数据。

一个处理器的缓存回写到内存会导致其他处理器的缓存无效。IA-32处理器和Intel 64处理器使用MESI（修改，独占，共享，无效）控制协议去维护内部缓存和其他处理器缓存的一致性。在多核处理器系统中进行操作的时候，IA-32 和Intel 64处理器能嗅探其他处理器访问系统内存和它们的内部缓存。它们使用嗅探技术保证它的内部缓存，系统内存和其他处理器的缓存的数据在总线上保持一致。例如在Pentium和P6 family处理器中，如果通过嗅探一个处理器来检测其他处理器打算写内存地址，而这个地址当前处理共享状态，那么正在嗅探的处理器将无效它的缓存行，在下次访问相同内存地址时，强制执行缓存行填充。

总结：

与锁相比，Volatile变量是一种非常简单但同时又非常脆弱的同步机制，它在某些情况下将提供优于锁的性能和伸缩性。如果严格遵循 volatile 的使用条件（即变量真正独立于其他变量和自己以前的值）在某些情况下可以使用 volatile 代替 synchronized 来简化代码。然而，使用 volatile 的代码往往比使用锁的代码更加容易出错，不过使用时不要超过各自的限制就可以安全地实现大多数实例，使用 volatile变量获得更佳性能。

volatile变量：

1、保证多线程间读数据不会读出脏数据，实现共享变量能被准确和一致的更新。

2、内存栅格，保证代码执行顺序不变。

3、不能保证原子性，此时可使用 synchronized 。