深入理解Java并发编程中的Volatile关键字-优快云博客

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/gitblog_00104/article/details/148523478

深入理解Java并发编程中的Volatile关键字

interview 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/intervi/interview

前言

在Java并发编程中，volatile关键字是一个非常重要但又容易被误解的概念。本文将从一个专业的角度，系统地讲解volatile的工作原理、使用场景和注意事项，帮助开发者更好地理解和使用这一关键字。

计算机内存模型基础

为什么需要内存模型

现代计算机系统中，CPU的执行速度远高于内存访问速度。为了弥补这一差距，CPU引入了多级缓存架构：

主存：即物理内存，存储所有数据
CPU高速缓存：分为L1、L2、L3等多级缓存，速度依次递减但容量依次增大

当程序运行时，CPU会先将需要的数据从主存复制到高速缓存中，运算完成后再写回主存。这种架构在单线程环境下工作良好，但在多线程环境下就会引发缓存一致性问题。

缓存一致性问题示例

考虑以下场景：

两个线程同时执行i = i + 1操作
初始值i=0存储在内存中
每个线程都有自己的缓存副本

可能的执行顺序：

线程1读取i=0到缓存，计算i=1，写入缓存
线程2读取i=0到缓存(此时线程1的修改尚未写回内存)
线程1将i=1写回内存
线程2计算i=1，写入缓存并最终写回内存

最终结果i=1而非预期的2，这就是典型的缓存一致性问题。

解决方案

硬件层面提供了两种解决方案：

总线锁定：通过LOCK#信号锁定总线，确保同一时间只有一个CPU能访问内存
- 优点：实现简单
- 缺点：性能低下，锁定时其他CPU无法访问任何内存
缓存一致性协议：如Intel的MESI协议
- 核心思想：当CPU修改共享变量时，会使其他CPU中该变量的缓存行失效
- 优势：细粒度控制，性能更好

Java内存模型(JMM)

Java为了屏蔽底层差异，定义了Java内存模型(JMM)，它规定了：

主内存：存储所有共享变量
工作内存：每个线程私有的内存空间，存储该线程使用到的变量的副本

JMM的三个核心特性：

1. 原子性

原子性操作指不可分割的操作。在Java中：

基本类型的读写是原子的(long/double在32位系统上除外)
但像i++这样的复合操作不是原子的

示例分析：

x = 10;        // 原子操作
y = x;         // 非原子操作(读取x+赋值y)
x++;           // 非原子操作
x = x + 1;     // 非原子操作

2. 可见性

一个线程修改共享变量后，其他线程能立即看到修改。

保证可见性的方式：

volatile关键字
synchronized同步块
final关键字(初始化完成后可见)

3. 有序性

程序执行顺序不一定与代码顺序一致，处理器会进行指令重排序优化。

保证有序性的方式：

volatile关键字
synchronized同步块
happens-before原则

happens-before原则

JMM定义的一系列规则，用于确定操作之间的可见性关系：

程序顺序规则：同一线程中的操作按代码顺序执行
锁定规则：unlock操作先于后续的lock操作
volatile规则：volatile写操作先于后续的读操作
传递性规则：A先于B，B先于C，则A先于C
线程启动规则：Thread.start()先于线程的任何操作
线程终止规则：线程的所有操作先于终止检测
中断规则：interrupt()调用先于检测到中断
对象终结规则：对象初始化完成先于finalize()

volatile深度解析

volatile的语义

volatile修饰的变量具有两大特性：

可见性保证：修改后立即对其他线程可见
禁止指令重排序：优化不能跨越volatile操作

典型应用场景

状态标志位

volatile boolean shutdownRequested;

public void shutdown() {
    shutdownRequested = true;
}

public void doWork() {
    while (!shutdownRequested) {
        // 执行任务
    }
}

单例模式的双重检查锁定(DCL)

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;
    }
}