Java volatile 作用和使用场景

最新推荐文章于 2025-03-03 23:45:43 发布

冰糖心书房

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分类专栏： 2025 Java面试系列 Java 入门系列文章标签： java jvm

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volatile 是 Java 中的一个关键字，用于修饰变量。它是 Java 内存模型 (JMM) 中实现可见性和有序性（禁止指令重排序）的一种轻量级同步机制。
一、volatile 的作用

volatile 关键字有两个主要作用：

保证可见性 (Visibility):
- 什么是可见性问题？
  - 在多线程环境下，每个线程都有自己的工作内存（例如 CPU 缓存）。
  - 线程对共享变量的修改，首先会在自己的工作内存中进行，然后才会被刷新到主内存中。
  - 其他线程可能无法立即看到这个修改，因为它们可能还在读取自己工作内存中的旧值。
  - 这就是可见性问题：一个线程对共享变量的修改，对其他线程不可见。
- volatile 如何保证可见性？
  - 当一个变量被声明为 volatile 时，Java 内存模型 (JMM) 会确保：
    - 写操作： 当一个线程修改了 volatile 变量的值，这个新值会立即被刷新到主内存中。
    - 读操作： 当一个线程读取 volatile 变量的值，它会强制从主内存中读取最新值，而不是从自己的工作内存中读取。
- 底层原理 (简化)：
  - 写操作： 在写 volatile 变量时，会插入一个 StoreStore 屏障 和一个 StoreLoad 屏障。
    - StoreStore 屏障：禁止上面的普通写和下面的 volatile 写重排序。
    - StoreLoad 屏障：强制刷新处理器缓存，确保其他处理器能够看到 volatile 变量的最新值。
  - 读操作： 在读 volatile 变量时，会插入一个 LoadLoad 屏障 和一个 LoadStore 屏障。
    - LoadLoad 屏障：禁止上面的 volatile 读和下面的普通读重排序。
    - LoadStore 屏障：禁止上面的 volatile 读和下面的普通写重排序。
    - 还会强制从主内存读取 volatile 变量的值。
禁止指令重排序 (Ordering):
- 什么是指令重排序？
  - 为了优化性能，编译器和处理器可能会对指令的执行顺序进行重新排序，只要不影响单线程程序的执行结果。
  - 但在多线程环境下，指令重排序可能会导致意想不到的问题。
- volatile 如何禁止指令重排序？
  - volatile 关键字可以禁止特定类型的指令重排序，具体规则如下：
    - 写操作：
      - 不能将 volatile 写操作重排序到之前的任何操作之前。
      - 不能将 volatile 写操作重排序到之后的其他 volatile 写操作之后。
    - 读操作：
      - 不能将 volatile 读操作重排序到之后的任何操作之后。
      - 不能将 volatile 读操作重排序到之前的其他 volatile 读操作之前。
- 内存屏障 (Memory Barrier):
  - volatile 的禁止指令重排序是通过 内存屏障 (Memory Barrier) 来实现的。
  - 内存屏障是一种特殊的 CPU 指令，可以强制处理器按照特定的顺序执行内存操作，并刷新处理器缓存。

二、volatile 的使用场景

volatile 适用于以下场景：

状态标志 (Status Flag):

场景描述：
- 使用一个 boolean 类型的变量作为状态标志，控制线程的执行。
- 例如，一个线程检查标志位，决定是否继续执行；另一个线程修改标志位，通知其他线程停止执行。
volatile 的作用：
- 保证标志位的可见性，确保线程能够及时看到标志位的变化。

代码示例：

public class VolatileFlagExample {

    private volatile boolean running = true; // 使用 volatile 修饰

    public void start() {
        new Thread(() -> {
            while (running) {
                // 执行任务
                System.out.println("Running...");
                try {
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            System.out.println("Stopped.");
        }).start();
    }

    public void stop() {
        running = false; // 修改标志位
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        VolatileFlagExample example = new VolatileFlagExample();
        example.start();
        Thread.sleep(2000);
        example.stop();
    }
}

双重检查锁定 (Double-Checked Locking) 单例模式 (JDK 1.5 之后):
- 场景描述：
  - 单例模式的一种实现方式，延迟初始化，只有在第一次使用时才创建实例。
  - 为了保证线程安全，需要进行同步处理。
  - 双重检查锁定是一种优化手段，可以减少同步的开销。
- volatile 的作用：
  - 禁止指令重排序，确保 instance = new Singleton() 这条语句的原子性.
    这条语句并非原子操作，实际上包含三个步骤：
  1. 分配内存空间
  2. 初始化对象
  3. 将 instance 指向分配的内存空间。
    如果没有 volatile，可能会发生指令重排序，导致一个线程获取到未完全初始化的对象。
- JDK1.5 之前，即使是使用了双重检查，由于volatile 关键字语义不完善， DCL仍然不能保证安全。
- 代码示例：
```
public class Singleton {

    private volatile static Singleton instance; // 使用 volatile 修饰

    private Singleton() {}

    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) { // 第一次检查
            synchronized (Singleton.class) { // 加锁
                if (instance == null) { // 第二次检查
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}
```
发布-订阅模式中的可见性：
- 场景描述：
  - 一个线程发布（修改）一个共享变量，其他线程订阅（读取）这个变量的变化。
- volatile 的作用：
  - 保证发布线程对共享变量的修改对订阅线程可见。
写多读少的场景：
- 如果一个变量被多个线程读取, 但只有一个线程写入，使用 volatile 可以提供轻量级的同步。

三、volatile 的局限性 (不能做什么)

volatile 不能保证原子性：
- volatile 只能保证可见性和有序性，不能保证原子性。
- 对于复合操作（例如 i++），volatile 无法保证线程安全。 i++ 操作实际上包含三个步骤：读取 i 的值、将 i 的值加 1、将新值写回 i。即使 i 是 volatile 的，这三个步骤也不是原子的，多个线程同时执行 i++ 仍然可能导致错误。
volatile 不能代替锁：
- volatile 是一种轻量级的同步机制，它比锁的开销要小。
- 但 volatile 的功能有限，只能用于特定场景，不能完全代替锁。
- 如果需要保证复合操作的原子性，或者需要更复杂的同步控制，仍然需要使用锁（例如 synchronized 或 ReentrantLock）或原子类。

四、volatile 与 synchronized 的比较

特性	`volatile`	`synchronized`
作用	保证可见性、禁止指令重排序	保证原子性、可见性、有序性
使用方式	修饰变量	修饰方法或代码块
性能	轻量级，开销较小	重量级，开销较大
阻塞	不阻塞线程	阻塞线程
死锁	不会导致死锁	可能导致死锁
原子性	不保证原子性 (只保证单个 `volatile` 变量的读写操作的原子性)	保证原子性 (被 `synchronized` 修饰的代码块或方法具有原子性)
使用场景	状态标志、双重检查锁定单例模式、发布-订阅模式	需要保证原子性、可见性和有序性的场景，例如对多个变量进行复合操作、实现复杂的同步逻辑
与 CAS 的关系	CAS 操作通常需要 `volatile` 变量来保证可见性和有序性。 CAS 提供了原子性的比较并交换操作, 结合 `volatile` 变量的可见性, 就可以实现一些无锁的算法。	`synchronized` 内部使用了监视器锁 (Monitor Lock) 来实现同步。 Java 对象头中的 Mark Word 用于存储锁的信息。 JDK 1.6 之后，`synchronized` 进行了优化，引入了偏向锁、轻量级锁、重量级锁等机制, 其中轻量级锁的实现就利用了 CAS。
实现	JVM通过插入内存屏障实现	JVM 基于进入和退出 Monitor Object 来实现方法同步和代码块同步， monitorenter 和 monitorexit. 代码块同步是使用 `monitorenter` 和 `monitorexit` 指令实现的，方法同步使用另一种方式实现（通常是添加 ACC_SYNCHRONIZED 标志）

总结：

volatile 是 Java 中的一个关键字，用于修饰变量，提供轻量级的同步机制。
volatile 的主要作用是保证可见性和禁止指令重排序，但不能保证原子性。
volatile 适用于状态标志、双重检查锁定单例模式、发布-订阅模式等场景。
volatile 不能代替锁，在需要保证复合操作的原子性或更复杂的同步控制时，仍然需要使用锁或原子类。
理解 volatile 的原理和使用场景，可以帮助你编写正确的并发程序，避免可见性和有序性导致的问题。

五、深入理解 volatile (高级主题)

happens-before 关系:
- Java 内存模型 (JMM) 定义了 happens-before 关系，用于描述操作之间的可见性。
- 如果操作 A happens-before 操作 B，那么 A 的结果对 B 可见，并且 A 的执行顺序在 B 之前。
- volatile 变量的写操作 happens-before 后续对该变量的读操作。
- 这意味着，如果一个线程写入一个 volatile 变量，那么后续任何线程读取这个 volatile 变量，都能看到之前写入的值。
内存屏障 (Memory Barrier) 的细节：
- 内存屏障是一种 CPU 指令，用于控制内存访问的顺序和可见性。
- 不同的 CPU 架构有不同的内存屏障指令。
- Java 内存模型 (JMM) 定义了一组抽象的内存屏障，JVM 会根据具体的 CPU 架构将这些抽象的内存屏障映射到具体的 CPU 指令。
- volatile 关键字的实现依赖于内存屏障：
  - StoreStore 屏障： 禁止上面的普通写和下面的 volatile 写重排序。
  - StoreLoad 屏障： 强制刷新处理器缓存，确保其他处理器能够看到 volatile 变量的最新值。
  - LoadLoad 屏障： 禁止上面的 volatile 读和下面的普通读重排序。
  - LoadStore 屏障： 禁止上面的 volatile 读和下面的普通写重排序。
  - 更详细地说：
    - 在每个volatile写操作前插入StoreStore屏障。
    - 在每个volatile写操作后插入StoreLoad屏障。
    - 在每个volatile读操作后插入LoadLoad屏障。
    - 在每个volatile读操作后插入LoadStore屏障。
volatile 与缓存一致性协议 (Cache Coherence Protocol)：
- 在多核处理器中，每个 CPU 核心都有自己的缓存（L1, L2, L3 缓存）。
- 为了保证多个 CPU 核心之间的缓存数据一致性，需要使用缓存一致性协议（例如 MESI 协议）。
- volatile 变量的写操作会触发缓存一致性协议，将新值写入主内存，并使其他 CPU 核心中该变量的缓存失效。
volatile 与原子类的关系：
原子类内部使用了volatile 和 CAS操作来实现原子性、可见性和有序性。原子类中的变量通常会被声明为 volatile。

六、最佳实践

明确 volatile 的适用场景： 不要滥用 volatile，只有在确实需要保证可见性和禁止指令重排序时才使用它。
理解 volatile 的局限性： volatile 不能保证原子性，不能代替锁。
优先使用原子类： 如果需要原子性操作，优先使用 Java 并发包提供的原子类 (例如 AtomicInteger, AtomicLong, AtomicReference 等)，而不是直接使用 volatile 和 CAS。
谨慎使用双重检查锁定： 只有在 JDK 1.5 及以上版本，并且正确使用 volatile 关键字的情况下，双重检查锁定才是安全的。
结合具体场景分析： 对于复杂的并发场景，要仔细分析，确定是否需要使用 volatile，以及如何正确使用。

**总结 **

volatile 是 Java 并发编程中一个重要的关键字，它可以提供轻量级的同步机制，保证可见性和禁止指令重排序。理解 volatile 的原理、作用、使用场景和局限性，是编写正确的并发程序的基础。在实际开发中，要根据具体情况，合理使用 volatile、原子类、锁等同步机制，构建高效、可靠的多线程应用程序。尽量避免直接使用底层的Unsafe类进行CAS操作。