volatile-你没见过的船新版本

这篇文章可能篇幅比较长，大概需要6-8分钟阅读，但是读完应该是会有所收获的。最近要忙毕设的论文，脑阔疼，加上得想着写文章，可能比较匆忙，如果文章有错的地方，可以留言修改呀。以后更新的频率可能暂时一周一更，主要论文难搞，而且也得学技术才有总结，我太难了。

volatile3个特性：

• 保证了各个线程之间的可见性
• 不能保证原子性
• 防止重排序

可见性：

首先，每个线程都有自己的工作内存，除此之外还有一个cpu的主存，工作内存是主存的副本。线程工作的时候，不能直接操作主内存中的值，而是要将主存的值拷贝到自己的工作内存中；在修改变量，会先在工作内存中修改，随后刷新到主存中。

注意： 什么时候线程需要将主存中的值拷贝到工作内存

• 线程中释放锁时
• 线程切换时
• CPU有空闲时间时（比如线程休眠时）

假设有一个共享变量flag为false，线程a修改为true后，a的工作内存修改了，也刷新到了主存。这时候线程b对flag进行对应操作时，是不知道a修改了的，也称a对b不可见。所以我们需要一种机制，在主存的值修改后，及时地通知所有线程，保证它们都可以看到这个变化。

 1public class ReadWriteDemo {
 2
 3    //对于flag并没有加volatile
 4    public boolean flag = false;
 5    public void change() {
 6        flag = true;
 7        System.out.println("flag has changed:" + flag);
 8    }
 9
10    public static void main(String[] args) {
11
12        ReadWriteDemo readWriteDemo = new ReadWriteDemo();
13        //创建一个线程，用来修改flag，如上面描述的a线程
14        new Thread(new Runnable() {
15            @Override
16            public void run() {
17                try {
18                    Thread.sleep(3000);
19                    readWriteDemo.change();
20                } catch (InterruptedException e) {
21                    e.printStackTrace();
22                }
23            }
24        }).start();
25
26        //主线程，如上面描述的b线程
27        while(!readWriteDemo.flag) {
28        }
29        System.out.println("flag:" + readWriteDemo.flag);
30    }
31
32}

按照分析，没有加volatile的话，主线程（b线程）是看不到子线程（a线程）修改了flag的值。也就是说，在主线程看来，在没有特殊情况下，flag 永远为false，while(!readWriteDemo.flag) {}的判断条件为true，系统不会执行到System.out.println("flag:" + readWriteDemo.flag);

为了避免偶然性，我让程序跑了6分钟。可以看到，子线程确实修改了flag的值，主线程也和我们预期一样，看不到flag的变化，一直在死循环。如果给flag变量加一个volatile呢，预期结果是，子线程修改变量对主线程来说是可见的，主线程会退出循环。

可以看到，都不到一分钟，在子线程修改flag的值后，主线程随即就退出循环，说明立刻感知到了flag变量的变化。

有趣的是什么呢：如果ab两个线程间隔时间不长，当b线程也延迟10s读（不是上面的立刻读），你会发现两个线程之间的修改也是可见的，为什么呢，stakc overflow上有解答，执行该线程的cpu有空闲时，会去主存读取以下共享变量来更新工作内存中的值。更有趣的是，在写这篇文章的时候，cpu及内存是这样的，反而能正常执行，但是能出现问题就能说明volatile的作用。

image-20210409163242085

如何保证可见性：

首先要先讲一下java内存模型，java的的内存模型规定了工作内存与主存之间交互的协议，定义了8中原子操作：

1. lock：将主内存的变量锁定，为一个线程所独占。
2. unlock：将lock加的锁定解除，此时其他线程可以有机会访问此变量。
3. read：将主内存中的变量值读到工作线程中。
4. load：将read读取到的值保存到工作内存中的变量副本中。
5. use：将值传递给线程的代码执行引擎。
6. assign：将执行引擎处理返回的值重新赋值给变量副本。
7. store：将变量副本的值存储到主内存中。
8. write：将store存储的值写入到主内存的共享变量中。

对带有volatile的变量进行写操作会怎么呢。JVM会像处理器发送一条lock前缀的指令，a线程就锁定主存内的变量，修改后再刷新到主存。b线程同样会锁定主存内的变量，但是会发现主存内的变量和工作内存的值不一样，就会从主存中读取最新的值。从而保证了每个线程都能对变量的改变可见。

原子性：

在编程世界里面，原子性是指不能分割的操作，一个操作要么全部执行，要么全部不执行，是执行的最小单元。

 1public class TestAutomic {
 2    volatile int num = 0;
 3    void add() {
 4        num++;
 5    }
 6
 7    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
 8        TestAutomic testAutomic = new TestAutomic();
 9        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
10            new Thread(new Runnable() {
11                @Override
12                public void run() {
13                    try {
14                        Thread.sleep(10);
15                        testAutomic.add();
16                    } catch (InterruptedException e) {
17                        e.printStackTrace();
18                    }
19                }
20            }).start();
21        }
22        //等待12秒，让子线程全部执行完
23        Thread.sleep(12000);
24        System.out.println(testAutomic.num);
25    }
26
27}

预期现象：都说不能保证原子性了，所以，应该结果是不等于1000

不同电脑执行的结果不一样，我的是886，可能你们的不是，但是都说明了volatile都无法保证操作的原子性。

为什么不能保证原子性：

这要从num++操作开始讲起，num++操作可以分为三步：

• 读取i的值，装载进工作内存
• 对i加1操作
• 将i的值写回工作内存，刷新到主存中

我们知道线程的执行具有随机性，假设a线程和b线程中的工作内存中都是num=0，a线程先抢了cpu的执行权，在工作内存进行了加1操作，还没刷新到主存中；b线程这时候拿到了cpu的执行权，也加1；接着a线程刷新到主存num=1，而b线程刷新到主存，同样是num=1，但是两次操作后num应该等于2。

解决方案：

• 使用synchronized关键字
• 使用原子类

重排序：

对于我们写的程序，cpu会根据如何让程序更高效来对指令进行重排序，什么意思呢

1a = 2;
2b = new B();
3c = 3;
4d = new D();

经过优化后，可能真实的指令顺序是：

1a = 2;
2c = 3;
3b = new B();
4d = new D();

并不是所有的指令都会重排序，重排序与否全是看能不能使得指令更高效，还有下面一种情况。

1a = 2;
2b = a;

这两行代码无论什么情况下都不会重排序，因为第二条指令是依赖第一条指令的，重排序是建立在排序后最终结果仍然保持不变的基础上。下面将给出volatile防止重排序的例子：

 1public class TestReorder {
 2    private static int a = 0, b = 0, x = 0, y = 0;
 3
 4    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
 5        while (true) {
 6            a = 0; b = 0; x = 0; y = 0;
 7            //a线程
 8            new Thread(new Runnable() {
 9                @Override
10                public void run() {
11                    try {
12                        Thread.sleep(10);
13                        a = 1;
14                        x = b;
15                    } catch (InterruptedException e) {
16                        e.printStackTrace();
17                    }
18
19                }
20            }).start();
21
22            //b线程
23            new Thread(new Runnable() {
24                @Override
25                public void run() {
26                    try {
27                        Thread.sleep(10);
28                        b = 1;
29                        y = a;
30                    } catch (InterruptedException e) {
31                        e.printStackTrace();
32                    }
33
34                }
35            }).start();
36
37            //主线程睡100ms，以保证子线程全部执行完
38            Thread.sleep(100);
39            System.out.println("a=" + a + ";b=" + b + ";x=" + x + ";y=" + y);
40
41        }
42    }
43
44}

还记得上面说过两个线程如果沉睡时间差不多，它们之间是可见

预期结果：

• 如果先执行完a线程（a = 1, x = b = 0），再执行完b线程（b = 1, y = a = 1），最终结果a = 1; b = 1; x = 0; y = 1
• 如果先执行完b线程（b = 1, y = a = 0），再执行完a线程（a = 1, x = b = 1），最终结果a = 1; b = 1; x = 1; y = 0
• 如果执行a线程过程（a = 1），接着执行了b线程（b = 1，y = a = 1）【为什么y = a一定等于1，因为它们两个之间的改变是可见的】，最后执行了a线程（x = b = 1），最终结果a = 1；b = 1; x = 1; y = 1

可以发现除了上面预期的三种情况，还出现了一种a = 1; b = 1; x = 0; y = 0的情况，相信大家也知道了，这种情况就是因为重排序造成的。要么是a线程重排序先执行x = b;再执行a = 1;，要么是b线程重排序先执行了y = a;再执行了b = 1;；要么是两个线程都重排序了。

如果private volatile static int a = 0, b = 0, x = 0, y = 0;加了volatile关键字会怎么样呢？

为了保证正确性，又持续跑了5分钟，可以发现，确实不会再出现x=0;y=0的情况。

如何防止重排序

先来讲讲4个内存屏障的作用

内存屏障

可能看作用比较抽象，直接举例子叭

• 对于S1; StoreStore; S2，在S2及后续写入操作之前，保证S1的写入操作对其它线程可见。
• 对于S; StoreLoad; L，在L及后续读/写操作之前，保证S的写入对其它线程可见。
• 对于L1; LoadLoad; L2，在L2及后续读操作之前，保证L1读取数据完毕。
• 对于L; LoadStore; S，在S及后续操作之前，保证L读取数据完毕。

那么volatile是如何保证有序性的呢？

• 在每个volatile写操作前插入StoreStore屏障，每个写操作后面加一个StoreLoad屏障。
• 在每个volatile读操作前插入LoadLoad屏障，在读操作后插入LoadStore屏障。

举例，有个对volatile变量的写S，有个对volatile变量的读L，会怎么样呢。

• 对于写：S1; StoreStore; S ;StoreLoad L这样能够把S（对volatile变量保护在中间）防止重排序。
• 对于读也是一样的道理：L1; LoadLoad; L ; LoadStore S，一样把volatile变量保护的好好的。