Java 多线程 volatile关键字

总结

volatile 最适用的场景：一个线程写，多个线程读

volatile的作用

• 防止重排序：单例模式代码里，NullPointerException的例子 --- Java中的happen-before规则：JMM可以通过happens-before关系向程序员提供跨线程的内存可见性保证（如果A线程的写操作a与B线程的读操作b之间存在happens-before关系，尽管a操作和b操作在不同的线程中执行，但JMM向程序员保证a操作将对b操作可见）
• 实现可见性：一个线程修改了共享变量值，另一个线程也能看到。-- JMM（java memory model），
  • （1）修改volatile变量时会强制将修改后的值刷新的主内存中。
  • （2）修改volatile变量后会导致其他线程工作内存中对应的变量值失效。因此，再读取该变量值的时候就需要重新从读取主内存中的值。
• 保证原子性：volatile只能保证对单次读/写的原子性。其中i++不行，因为i++是一个复合操作.

volatile的原理

为了实现volatile可见性和happen-befor的语义。JVM底层是通过一个叫做“内存屏障”的东西来完成。内存屏障，也叫做内存栅栏，是一组处理器指令，用于实现对内存操作的顺序限制。下面是完成上述规则所要求的内存屏障：

Required barriers	2nd operation
1st operation	Normal Load	Normal Store	Volatile Load	Volatile Store
Normal Load				LoadStore
Normal Store				StoreStore
Volatile Load	LoadLoad	LoadStore	LoadLoad	LoadStore
Volatile Store			StoreLoad	StoreStore

（1）LoadLoad 屏障
执行顺序：Load1—>Loadload—>Load2
确保Load2及后续Load指令加载数据之前能访问到Load1加载的数据。

（2）StoreStore 屏障
执行顺序：Store1—>StoreStore—>Store2
确保Store2以及后续Store指令执行前，Store1操作的数据对其它处理器可见。

（3）LoadStore 屏障
执行顺序： Load1—>LoadStore—>Store2
确保Store2和后续Store指令执行前，可以访问到Load1加载的数据。

（4）StoreLoad 屏障
执行顺序: Store1—> StoreLoad—>Load2
确保Load2和后续的Load指令读取之前，Store1的数据对其他处理器是可见的。

1. volatile的作用

1.1 防止重排序

我们从一个最经典的例子来分析重排序问题。大家应该都很熟悉单例模式的实现，而在并发环境下的单例实现方式，我们通常可以采用双重检查加锁（DCL）的方式来实现。其源码如下：

package com.paddx.test.concurrent;

public class Singleton {
    public static volatile Singleton singleton;

    /**
     * 构造函数私有，禁止外部实例化
     */
    private Singleton() {};

    public static Singleton getInstance() {
        if (singleton == null) {
            synchronized (singleton) {
                if (singleton == null) {
                    singleton = new Singleton();
                }
            }
        }
        return singleton;
    }
}

现在我们分析一下为什么要在变量singleton之间加上volatile关键字。要理解这个问题，先要了解对象的构造过程，实例化一个对象其实可以分为三个步骤：

　　（1）分配内存空间。

　　（2）初始化对象。

　　（3）将内存空间的地址赋值给对应的引用。

但是由于操作系统可以对指令进行重排序，所以上面的过程也可能会变成如下过程：

　　（1）分配内存空间。

　　（2）将内存空间的地址赋值给对应的引用。

　　（3）初始化对象

　　如果是这个流程，多线程环境下就可能将一个未初始化的对象引用暴露出来，从而导致不可预料的结果。因此，为了防止这个过程的重排序，我们需要将变量设置为volatile类型的变量。

1.2 实现可见性

可见性问题主要指一个线程修改了共享变量值，而另一个线程却看不到。引起可见性问题的主要原因是每个线程拥有自己的一个高速缓存区——线程工作内存。volatile关键字能有效的解决这个问题，相比使用synchronized所带来的庞大开销，倘若能恰当的合理的使用volatile，自然是美事一桩。

下面的例子，就可以知道其作用：　　

public class TestVolatile {
    boolean status = false;

    /**
     * 状态切换为true
     */
    public void changeStatus(){
        status = true;
    }

    /**
     * 若状态为true，则running。
     */
    public void run(){
        if(status){
            System.out.println("running....");
        }
    }
}

　　上面这个例子，在多线程环境里，假设线程A执行changeStatus()方法后,线程B运行run()方法，可以保证输出"running....."吗？

　　答案是NO! 

　　这个结论会让人有些疑惑，可以理解。因为倘若在单线程模型里，先运行changeStatus方法，再执行run方法，自然是可以正确输出"running...."的；但是在多线程模型中，是没法做这种保证的。因为对于共享变量status来说，线程A的修改，对于线程B来讲，是"不可见"的。也就是说，线程B此时可能无法观测到status已被修改为true。那么什么是可见性呢？

　　所谓可见性，是指当一条线程修改了共享变量的值，新值对于其他线程来说是可以立即得知的。很显然，上述的例子中是没有办法做到内存可见性的。

　　Java内存模型

　　为什么出现这种情况呢，我们需要先了解一下JMM（java内存模型）

　　java虚拟机有自己的内存模型（Java Memory Model，JMM），JMM可以屏蔽掉各种硬件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。

　　JMM决定一个线程对共享变量的写入何时对另一个线程可见，JMM定义了线程和主内存之间的抽象关系：共享变量存储在主内存(Main Memory)中，每个线程都有一个私有的本地内存（Local Memory），本地内存保存了被该线程使用到的主内存的副本拷贝，线程对变量的所有操作都必须在工作内存中进行，而不能直接读写主内存中的变量。这三者之间的交互关系如下

　　需要注意的是，JMM是个抽象的内存模型，所以所谓的本地内存，主内存都是抽象概念，并不一定就真实的对应cpu缓存和物理内存。当然如果是出于理解的目的，这样对应起来也无不可。

　　大概了解了JMM的简单定义后，问题就很容易理解了，对于普通的共享变量来讲，比如我们上文中的status，线程A将其修改为true这个动作发生在线程A的本地内存中，此时还未同步到主内存中去；而线程B缓存了status的初始值false，此时可能没有观测到status的值被修改了，所以就导致了上述的问题。那么这种共享变量在多线程模型中的不可见性如何解决呢？比较粗暴的方式自然就是加锁，但是此处使用synchronized或者Lock这些方式太重量级了，有点炮打蚊子的意思。比较合理的方式其实就是volatile

　　volatile具备两种特性，第一就是保证共享变量对所有线程的可见性。将一个共享变量声明为volatile后，会有以下效应：

　　　　1.当写一个volatile变量时，JMM会把该线程对应的本地内存中的变量强制刷新到主内存中去；

　　　　2.这个写会操作会导致其他线程中的缓存无效。

上面的例子只需将status声明为volatile，即可保证在线程A将其修改为true时，线程B可以立刻得知

 volatile boolean status = false;

1.3 保证原子性

volatile只能保证对单次读/写的原子性。其中i++不行，因为i++是一个复合操作。

volatile是无法保证i++原子性的。原因也很简单，i++其实是一个复合操作，包括三步骤：

　　（1）读取i的值。

　　（2）对i加1。

　　（3）将i的值写回内存。

volatile是无法保证这三个操作是具有原子性的，我们可以通过AtomicInteger或者Synchronized来保证+1操作的原子性。

  

QA:解决num++操作的原子性问题

可以通过AtomicInteger或者Synchronized来保证+1操作的原子性

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针对num++这类复合类的操作，可以使用java并发包中的原子操作类原子操作类是通过循环CAS的方式来保证其原子性的。

/**
 * Created by chengxiao on 2017/3/18.
 */
public class Counter {
　　//使用原子操作类
    public static AtomicInteger num = new AtomicInteger(0);
    //使用CountDownLatch来等待计算线程执行完
    static CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(30);
    public static void main(String []args) throws InterruptedException {
        //开启30个线程进行累加操作
        for(int i=0;i<30;i++){
            new Thread(){
                public void run(){
                    for(int j=0;j<10000;j++){
                        num.incrementAndGet();//原子性的num++,通过循环CAS方式
                    }
                    countDownLatch.countDown();
                }
            }.start();
        }
        //等待计算线程执行完
        countDownLatch.await();
        System.out.println(num);
    }
}

　　

执行结果

300000

关于原子类操作的基本原理，会在后面的章节进行介绍，此处不再赘述。

QA: 为什么synchronized代码块里的变量，不加上volatile关键字？

• 一个线程出synchronized同步代码块的时候，会把操作的结果刷回主存。下一个线程进synchronized同步代码块的时候，会再从主存读取。
• 可以看出synchronized关键字的作用已经涵盖了volatile所提供的作用，synchronized而且更强大，所以也更重量级。
• 也因此我们说，volatile是Java提供的一种轻量级的同步机制（不是轻量级的同步锁）