如何理解volatile

老马的编程之旅

发布于 2022-06-22 15:26:30

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发布于 2022-06-22 15:26:30

文章被收录于专栏：深入理解Android

java内存模型与原子性，可见性和有序性

Java内存模型规定所有的变量都是存在主存当中，每个线程都有自己的工作内存。线程对变量的所有操作都必须在自己的工作内存中进行，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。

在java中，执行下面这个语句：

int i=3;

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3写入主存当中。

原子性 对基本数据类型的变量的读取和赋值操作是原子性操作，即这些操作是不可被中断的，要么执行，要么不执行。

x = 10;        //语句1
y = x;         //语句2
x++;           //语句3
x = x + 1;     //语句4

只有语句1是原子性操作，其他三个语句都不是原子性操作。语句2实际上包含2个操作，它先要去读取x的值，再将x的值写入工作内存

只有简单的读取、赋值（而且必须是将数字赋值给某个变量，变量之间的相互赋值不是原子操作）才是原子操作。

java.util.concurrent.atomic包中有很多类使用了很高效的机器级指令（而不是使用锁）来保证其他操作的原子性。例如AtomicInteger类提供了方法incrementAndGet和decrementAndGet，它们分别以原子方式将一个整数自增和自减。可以安全地使用AtomicInteger类作为共享计数器而无需同步。另外这个包还包含AtomicBoolean，AtomicLong和AtomicReference这些原子类仅供开发并发工具的系统程序员使用，应用程序员不应该使用这些类。

可见性 可见性，是指线程之间的可见性，一个线程修改的状态对另一个线程是可见的。也就是一个线程修改的结果。另一个线程马上就能看到。

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，所以对其他线程是可见的，当有其他线程需要读取时，它会去主存中读取新值。

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。

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。 **可以通过volatile关键字来保证一定的“有序性”。**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。

volatile关键字

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。

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

//线程2
stop = true;

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。

volatile修饰之后就变得不一样了： 1.使用volatile关键字会强制将修改的值立即写入主存； 2.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； 3.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。

volatile无法保证对变量的任何操作都是原子性的。 volatile能在一定程度上保证有序性 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。

正确使用volatile关键字

使用volatile必须具备以下2个条件： 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

第一个条件就是不能是自增自减等操作，上文已经提到volatile不保证原子性。第二个条件我们来举个例子它包含了一个不变式：下界总是小于或等于上界

public class NumberRange {
    private volatile int lower, upper;
    public int getLower() { return lower; }
    public int getUpper() { return upper; }
    public void setLower(int value) { 
        if (value > upper) 
            throw new IllegalArgumentException(...);
        lower = value;
    }
    public void setUpper(int value) { 
        if (value < lower) 
            throw new IllegalArgumentException(...);
        upper = value;
    }
}

例如，如果初始状态是 (0, 5)，同一时间内，线程 A 调用 setLower(4) 并且线程 B 调用 setUpper(3)，显然这两个操作交叉存入的值是不符合条件的，那么两个线程都会通过用于保护不变式的检查，使得最后的范围值是 (4, 3)，这显然是不对的。

使用volatile主要有两个场景: 状态标志

volatile boolean shutdownRequested;
...
public void shutdown()
 { 
 shutdownRequested = true;
  }
public void doWork() { 
    while (!shutdownRequested) { 
        // do stuff
    }
}

很可能会从循环外部调用 shutdown() 方法 —— 即在另一个线程中 —— 因此，需要执行某种同步来确保正确实现 shutdownRequested 变量的可见性。然而，使用 synchronized 块编写循环要比使用volatile 状态标志编写麻烦很多。由于 volatile 简化了编码，并且状态标志并不依赖于程序内任何其他状态，因此此处非常适合使用 volatile。

双重检查模式（DCL）

public class Singleton {  
    private volatile static Singleton instance = null;  
    public static Singleton getInstance() {  
        if (instance == null) {  
            synchronized(this) {  
                if (instance == null) {  
                    instance = new Singleton();  
                }  
            }  
        }  
        return instance;  
    }  
}