Java volatile关键字的作用

Java volatile关键字作用是,使系统中所有线程对该关键字修饰的变量共享可见,可以禁止线程的工作内存对volatile修饰的变量进行缓存。下面分别详细介绍下volatile的这3个主要的作用。

作用一:可见性

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,当有其他线程需要读取时,它会去内存中读取新值。

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。

另外,通过synchronized和Lock也能够保证可见性,synchronized和Lock能保证同一时刻只有一个线程获取锁然后执行同步代码,并且在释放锁之前会将对变量的修改刷新到主存当中。因此可以保证可见性。

先看一段代码,假如线程1先执行,线程2后执行:

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

//线程2
stop = true;

这段代码是很典型的一段代码,很多人在中断线程时可能都会采用这种标记办法。但是事实上,这段代码会完全运行正确么?即一定会将线程中断么?不一定,也许在大多数时候,这个代码能够把线程中断,但是也有可能会导致无法中断线程(虽然这个可能性很小,但是只要一旦发生这种情况就会造成死循环了)。

下面解释一下这段代码为何有可能导致无法中断线程。在前面已经解释过,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。

但是用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(反映到硬件层的话,就是CPU的L1或者L2缓存中对应的缓存行无效);
  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。

在线程2修改stop值时(当然这里包括2个操作,修改线程2工作内存中的值,然后将修改后的值写入内存),会使得线程1的工作内存中缓存变量stop的缓存行无效,然后线程1读取时,发现自己的缓存行无效,它会等待缓存行对应的主存地址被更新之后,然后去对应的主存读取最新的值。

那么线程1读取到的就是最新的正确的值。

作用二:保证有序性

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:

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。

作用三:保证原子性

volatile关键字用于声明简单类型变量,如int、float、 boolean等数据类型。如果这些简单数据类型声明为volatile,对它们的操作就会变成原子级别的。但是需要注意这个原子操作针对的只是数据本身的增加和减少

Java中的原子操作包括:
1)除long和double之外的基本类型的赋值操作
2)所有引用reference的赋值操作
3)java.concurrent.Atomic.* 包中所有类的一切操作

引申一下,count++不是原子操作,是3个原子操作组合
1. 读取主存中的count值,赋值给一个局部成员变量tmp
2. tmp+1
3. 将tmp赋值给count
可能会出现线程1运行到第2步的时候,tmp值为1;这时CPU调度切换到线程2执行完毕,count值为1;切换到线程1,继续执行第3步,count被赋值为1————结果就是两个线程执行完毕,count的值只加了1;
还有一点要注意,如果使用AtomicInteger.set(AtomicInteger.get() + 1),会和上述情况一样有并发问题,要使用AtomicInteger.getAndIncrement()才可以避免并发问题

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THE END
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