Volatile

本文详细解析了Java中volatile关键字的作用及其实现原理,包括可见性和原子性的概念,以及volatile如何避免线程间的缓存不一致问题。

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可见性:

可见性,是指线程之间的可见性,一个线程修改的状态对另一个线程是可见的。也就是一个线程修改的结果。另一个线程马上就能看到。比如:用volatile修饰的变量,就会具有可见性。volatile修饰的变量不允许线程内部缓存和重排序,即直接修改内存。所以对其他线程是可见的。但是这里需要注意一个问题,volatile只能让被他修饰内容具有可见性,但不能保证它具有原子性。比如 volatile int a = 0;之后有一个操作 a++;这个变量a具有可见性,但是a++ 依然是一个非原子操作,也就这这个操作同样存在线程安全问题。

原子性:

  原子是世界上的最小单位,具有不可分割性。比如 a=0;(a非long和double类型) 这个操作是不可分割的,那么我们说这个操作时原子操作。再比如:a++; 这个操作实际是a = a + 1;是可分割的,所以他不是一个原子操作。非原子操作都会存在线程安全问题,需要我们使用同步技术(sychronized)来让它变成一个原子操作。一个操作是原子操作,那么我们称它具有原子性。

二、Volatile原理

Java语言提供了一种稍弱的同步机制,即volatile变量,用来确保将变量的更新操作通知到其他线程。当把变量声明为volatile类型后,编译器与运行时都会注意到这个变量是共享的,因此不会讲该变量上的操作与其他内存操作一起重排序。volatile变量不会被缓存在寄存器或者对其他处理器不可见的地方,因此在读取volatile类型的变量时总会返回最新写入的值。

  在访问volatile变量时不会执行加锁操作,因此也就不会使执行线程阻塞,因此volatile变量是一种比sychronized关键字更轻量级的同步机制。

  当对非volatile变量进行读写的时候,每个线程先从内存拷贝变量到CPU缓存中。如果计算机有多个CPU,每个线程可能在不同的CPU上被处理,这意味着每个线程可以考虑到不同的CPU cache中。

  而声明变量是volatile的,JVM保证了每次读变量都从内存中读,跳过CPU cache这一步。

### volatile关键字的作用和使用场景 `volatile` 是一种类型修饰符,用于告诉编译器该变量可能会被程序外部的其他因素(如硬件中断、多线程环境下的其他线程)修改,因此编译器不能对该变量进行优化[^1]。这意味着每次访问 `volatile` 变量时,都会直接从内存中读取其值,而不是使用寄存器中的缓存值。 在多线程编程中,`volatile` 的典型作用是确保线程间的可见性。例如,在一个线程中修改了某个变量的值,另一个线程能够立即看到这个变化。然而需要注意的是,`volatile` 并不能替代线程同步机制(如互斥锁或原子操作),因为它不保证操作的原子性[^1]。 以下是 `volatile` 的一些常见使用场景: 1. **硬件寄存器**:当程序需要与硬件交互时,某些寄存器的值可能随时被硬件改变。通过将这些寄存器声明为 `volatile`,可以确保每次访问都直接从硬件读取最新值。 2. **多线程环境**:在多线程应用中,如果一个变量被多个线程共享,并且可能被其中一个线程修改,那么可以将其声明为 `volatile` 以确保其他线程能够看到最新的值。 3. **信号处理程序**:在信号处理程序中,某些全局变量可能会被信号处理函数修改。为了确保主线程能够看到这些修改,可以将这些变量声明为 `volatile`。 下面是一个简单的代码示例,展示了如何在多线程环境中使用 `volatile` 关键字: ```c #include <stdio.h> #include <pthread.h> volatile int shared_value = 0; // 声明一个 volatile 共享变量 void *thread_func(void *arg) { while (shared_value < 10) { printf("Thread: %d\n", shared_value); shared_value++; // 其他线程可能会修改 shared_value 的值 } return NULL; } int main() { pthread_t tid; pthread_create(&tid, NULL, thread_func, NULL); while (shared_value < 10) { printf("Main: %d\n", shared_value); shared_value++; // 另一个线程可能同时在修改 shared_value } pthread_join(tid, NULL); return 0; } ``` 在这个例子中,`shared_value` 被声明为 `volatile`,以确保主线程和子线程都能看到该变量的最新值[^1]。
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