Java并发编程之volatile关键字解析

   <p>volatile关键字虽然从字面上理解起来比较简单，但是要用好不是一件容易的事情。本文我们就从JVM内存模型开始，了解一下 volatile 的应用场景。</p>    <h2>volatile关键字</h2>    <h3>JVM内存模型</h3>    <p>在了解 volatile 之前，我们有必要对JVM的内存模型有一个基本的了解。Java的内存模型规定了所有的变量都存储在主内存中（即物理硬件的内存），每条线程还具有自己的工作内存（工作内存可能位于处理器的高速缓存之中），线程的工作内存中保存了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（读取，赋值等）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）。不同的线程之间无法直接访问对方工作内存之间的变量，线程间变量值的传递需要通过主内存来完成。</p>    <p>p.s: 对于上面提到的副本拷贝，比如假设线程中访问一个10MB的对象，并不会把这10MB的内存复制一份拷贝出来，实际上这个对象的引用，对象中某个在线程访问到的字段是有可能存在拷贝的，但不会有虚拟机实现把整个对象拷贝一次。</p>    <p>在并发编程中，我们通常会遇到以下三个问题：原子性，可见性，有序性，下面我们我们来具体看一下这三个特性与 volatile 之间的联系：</p>    <h3>有序性</h3>    <pre>  <code class="language-java">public class Testcase{   public static int number;   public static boolean isinited;     public static void main(String[] args){   new Thread(   () -> {   while (!isinited) {   Thread.yield();   }   System.out.println(number);   }   ).start();   number = 20;   isinited = true;   }  }  </code></pre>    <p>对于上面的代码我们上面的本意是想输出 20 ，但是如果运行的话可以发现输出的值可能会是 0 。这是因为有时候为了提供程序的效率，JVM会做进行及时编译，也就是可能会对指令进行重排序，将 isInited = true; 放在 number = 20; 之前执行，在单线程下面这样做没有任何问题，但是在多线程下则会出现重排序问题。如果我们将 number 声名为 volatile 就可以很好的解决这个问题，这可以禁止JVM进行指令重排序，也就意味着 number = 20; 一定会在 isInited = true 前面执行。</p>    <h3>可见性</h3>    <p>比如对于变量 a ，当线程一要修改变量a的值，首先需要将a的值从主存复制过来，再将a的值加一，再将a的值复制回主存。在单线程下面，这样的操作没有任何的问题，但是在多线程下面，比如还有一个线程二，在线程一修改a的值的时候，也从主存将a的值复制过来进行加一，随后线程一和线程二先后将a的值复制回主存，但是主存中a的值最终将只会加一而不是加二。</p>    <p>使用 volatile 可以解决这个问题，它可以保证在线程一修改a的值之后立即将修改值同步到主存中，这样线程二拿到的a的值就是线程一已经修改过的a的值了。</p>    <h3>原子性</h3>    <p>原子性是指CPU在执行一条语句的时候，不会中途转去执行另外的语句。比如 i = 1 就是一个原子操作，但是 ++i 就不是一个原子操作了，因为它要求首先读取 i 的值，然后修改 i 的值，最后将值写入主存中。</p>    <p>但是 volatile 却不能保证程序的原子性，下面我们通过一个实例来验证一下：</p>    <pre>  <code class="language-java">public class TestCase{   public volatile int v = 0;   public static final int threadCount = 20;     public void increase(){   v++;   }     public static void main(String[] args){   TestCase testCase = new TestCase();   for (int i=0; i<threadCount; i++) {   new Thread(   () -> {   for (int j=0; j<1000; j++) {   testCase.increase();   }   }   ).start();   }     while (Thread.activeCount() > 1) {   Thread.yield();   }   System.out.println(testCase.v);   }  }  </code></pre>    <p>输出结果：</p>    <p>上面我们的本意是想让输出 20000 ，但是运行程序后，结果可能会小于 20000 。因为 v++ 它本身并不是一个原子操作，它是分为多个步骤的，而且 volatile 本身也并不能保证原子性。</p>    <p>上面的程序使用 synchronzied 则可以很好的解决，只需要声明 public synchronized void increase() 就行了。</p>    <p>或者使用lock也行：</p>    <pre>  <code class="language-java">Lock lock = new ReentrantLock();    public void increase(){   lock.lock();   try {   v++;   } finally{   lock.unlock();   }  }  </code></pre>    <p>或者将 v 声明为 AtomicInteger v = new AtomicInteger(); 。在java 1.5的java.util.concurrent.atomic包下提供了一些原子操作类，即对基本数据类型的自增，自减，以及加法操作，减法操作进行了封装，保证这些操作是原子性操作。</p>    <h3>volatile的应用场景</h3>    <p>下面我们通过单例模式来看一下 volatile 的一个具体应用：</p>    <pre>  <code class="language-java">class Singleton{   private volatile static Singleton instance;     public static Singleton getInstance(){   if (instance == null) {   synchronized (Singleton.class) {   if (instance == null)   instance = new Singleton();   }   }   return instance;   }     public static void main(String[] args){   Singleton.getInstance();   }  }  </code></pre>    <p>上面 instance 必须要用 volatile 修饰，因为 new Singleton 是分为三个步骤的：</p>    <ol>     <li>给instance指向的对象分配内存，并设置初始值为null（根据JVM类加载机制的原理，对于静态变量这一步应该在 new Singleton 之前就已经完成了）。</li>     <li>执行构造函数真正初始化instance</li>     <li>将instance指向对象分配内存空间（分配内存空间之后instance就是非null了）</li>    </ol>    <p>在我们的步骤2, 3之间的顺序是可以颠倒的，如果线程一在执行步骤3之后并没有执行步骤2，但是被线程二抢占了，线程二得到的 instance 是非null，但是instance却还没有初始化。而使用instance则可以保证程序的有序性。</p>    <h2>References</h2>    <p><a href="/misc/goto?guid=4959715992181934710" rel="nofollow,noindex">深入理解Java虚拟机</a></p>    <p><a href="/misc/goto?guid=4959748132167493601" rel="nofollow,noindex">Java并发编程实战</a></p>    <p> </p>    <p>来自：http://www.ziwenxie.site/2017/04/24/java-multithread-volatile/</p>    <p> </p>