Java并发—— 关键字volatile解析

简述

关键字volatile可以说是Java虚拟机提供的最轻量级的同步机制，当一个变量定义为volatile，它具有内存可见性以及禁止指令重排序两大特性，为了更好地了解volatile关键字，我们可以先看Java内存模型

Java内存模型

Java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存中，每条线程拥有自己的工作内存，工作内存中保存了被该线程使用到的变量的主内存副本拷贝，线程对变量的所有操作(读写)都必须在工作内存中进行，不同的线程之间无法直接访问对方工作内存的变量。线程、主内存、工作内存关系:

以经典的i++为例，线程A从主内存获取变量i值放入到工作内存的变量副本，然后在工作内存中将i+1，最后将新值同步到主内存中。从中我们可以看出简单的i++，分了3个步骤，可以明显发现在线程A从主内存获取i值步骤后，可能有其他线程同步主内存中变量i的值，当线程A想要将i+1结果同步到主内存时就会出现不正确的结果，这是典型的线程不安全。

volatile特性

• 可见性

当一个线程修改了共享变量，其他线程能够立即得知这个修改。Java内存模型通过在变量修改后将新值同步回主内存，volatile变量能保证新值能立即同步到主内存，以及每次使用前立即从主内存刷新(synchronized和final两个关键字也具备)。还是拿i++为例，volatile修饰的i可以确保，从主存中所获取的变量i一定是最新的。

• 有序性

禁止指令重排序，程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。
在执行程序时为了提高性能，编译器和处理器常常会对指令做重排序。
①.编译器重排序:编译器在不改变单线程程序语义的前提下，可以重新安排语句的执行顺序
②.处理器重排序:如果不存在数据依赖性，处理器可以改变语句对应机器指令的执行顺序

从java源代码到最终实际执行的指令序列，会分别经历下面三种重排序:

1属于编译器重排序，2和3属于处理器重排序。

volatile使用场景

在某些特定场景中，volatile相当于一个轻量级的sychronize，因为不会引起线程的上下文切换，但是使用volatile必须满足两个条件:
①.运算结果并不依赖变量的当前值，或者能够确保只有单一的线程修改变量的值
②.变量不需要与其他的状态变量共同参与不变约束

两个使用场景:

• 状态标记

使用volatile变量来控制并发，当shutdown()方法被调用时，能保证所有线程中执行的doWork()方法都立即停下来

  public class VolatileTest {
    private volatile boolean shutdownRequested;

   public void shutdown() {
       shutdownRequested = true;
   }

   public void doWork(){
       while (!shutdownRequested) {
        // 业务逻辑
      }    
  }
}
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• DCL(双锁检测)

单例模式的一种实现方式

public class Singleton {

    private volatile static Singleton singleton;

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

从硬件架构上来讲，处理器使用写缓冲区来临时保存向内存写入的数据，可以减少对内存总线的占用。虽然写缓冲区有这么多好处，但此操作仅对它所在的处理器可见，这个特性会对内存操作的执行顺序产生重要的影响，由于操作缓冲区是异步操作所以在外面看来，先写后读，还是先读后写，没有严格的固定顺序。

volatile修饰的变量相对于普通变量会多出一个lock前缀指令，这个操作相当于一个内存屏障(只有一个CPU访问内存时，不需要内存屏障;但如果有两个或更多CPU访问同一块内存，且其中有一个在观测另一个，就需要内存屏障来保证一致性)。

是否能重排序	第二个操作
第一个操作	普通读	普通写	volatile读	volatile写
普通读				LoadStore
普通写				StoreStore
volatile读	LoadLoad	LoadStore	LoadLoad	LoadStore
volatile写			StoreLoad	StoreStore

空白的单元格代表在不违反Java的基本语义下的重排是允许的。
StoreStore屏障：保证在volatile写之前，其前面的所有普通写操作都已经刷新到主内存
StoreLoad屏障：避免volatile写与后面可能有的volatile读/写操作重排序
LoadLoad屏障：禁止处理器吧上面的volatile读与下面的普通读中排序
LoadStore屏障：禁止处理器把上面的volatile读与下面的普通写重排序

示例:

public class VolatileTest {
    int a = 0;
    volatile int var1 = 1;
    volatile int var2 = 2;

void readAndWrite() {
    int i = var1;   //volatile读
    int j = var2;   //volatile读
    a = i + i;      //普通读
    var1 = i + 1;   //volatile写
    var2 = j * 2;   //volatile写
}
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} 复制代码

大致过程:

感谢

1.《深入理解Java虚拟机》
2.占小狼——面试必问的volatile，你了解多少？
3.《Java并发编程的艺术》