并发编程之volatile关键字

最新推荐文章于 2024-11-03 21:45:57 发布

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本文深入解析了volatile关键字在解决线程间共享变量不可见性、禁止指令重排序及不具备原子性等方面的作用。通过实例展示了volatile如何确保多线程环境下变量的一致性和可见性，以及在指令重排序中提供安全保障。

volatile关键字

在并发编程领域当中，volatile关键字经常被提到，实际项目中很少用到这个关键字。但对于某些并发场景volatile还是能解决规避一些问题的。
volatile关键字主要有以下两方面作用：

（一）解决线程间共享变量的不可见性。

计算机在处理程序时希望能得到更快的速度，因此在cpu中会有一些cache用来缓存计算的结果，以便下次使用时能快速获取。在单核cpu机器中cpu cache与内存都是所有程序共享的，不会出现数据不一致的情况，但在多核cpu的计算机当中，不同的线程可能会被不同的cpu执行，如果共享变量被cpu cache缓存下来的话，对于不是同一个cpu执行的线程来说是不可见的，因此会有多个变量副本，这就导致了同一个变量在不同线程中的值是不一致的问题。这个问题如何解决呢？如果在具有锁机制的程序当中也不会存在这样的问题，不同线程更新共享变量后会刷新到内存当中保证其他线程可见性。volatile就是具有这样的功能，带有volatiel关键字的变量会使cpu cache 当中的变量副本失效，把线程更新后的值更新到内存当中，线程读取volatile关键字的变量时不读取cpu cache副本，直接读取内存当前变量的值，使得程序执行跟我们期望的一致，共享变量只有一份（这部分内容跟计算机内存屏障机制相关）。计算不同线程中的共享变量会存在这样的问题，为什么我们实际使用当中很少遇到呢？这与程序计算的频率相关，如果一个操作数变量使用频率非常高，cpu才会将他缓存到 cache当中，来不及写入内存。例如下面这段代码

 Boolean flag = false;
    public void testVolatile(){

        new Thread() {
            @Override
            public void run() {
                while (!flag) {
                 
                }
            }
        }.start();
        try {
            Thread.sleep(100);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        flag = true;
        System.out.println(" 程序结束");
    }

你会惊奇的发现程序无法退出，程序无法退出原因在于while (!flag) {}这个语句，如果flag一直为false的话就会引发死循环导致程序无法退出，下面 flag = true 已经把flag值赋为true了，但while (!flag) {}所在的线程看不到主线程的flag值，这就是变量不同线程间的不可见性如果为flag加上volatile关键字，定义 volatile Boolean flag = false; 则程序可以正常退出，使用volatile关键字解决了变量不同线程间的不可见性。但如果在while (!flag) {}循环中加入一个输出语句，将程序改为如下

 Boolean flag = false;

   public void testVolatile() {

       new Thread() {
           @Override
           public void run() {
               while (!flag) {
                   System.out.println("0");
               }
           }
       }.start();
       try {
           Thread.sleep(100);
       } catch (InterruptedException e) {
           e.printStackTrace();
       }
       flag = true;
       System.out.println(" 程序结束");
   }

发现程序也是可以正常退出的，这个普通的不能再普通的输出语句是不具备任何解决变量线程间不可见性的。这只能说明添加了额外的逻辑后，flag操作数的使用频率达不到cpu需要缓存的频率，因此flag的读写都实时更新到了内存当中。因此不存在变量的线程间不可见问题。因此在实际的使用当中，除了极少数特殊情景（执行时间非常短，少于微妙）需要考虑变量线程间的不可见性外，一般具有业务逻辑的代码片段中不需要考虑。

（二）禁止指令重排序。

jvm对程序指令进行了优化，可能会对指令进行重排序，指令重排序必须保证单线程的执行结果与不重排序的一致。对于多线程间读取同一个操作数进行业务操作时，指令重排序有可能会引发逻辑错误。例如：
线程A：

content = initContent();    //(1)
isInit = true;              //(2)

线程B

while (isInit) {            //(3)
    content.operation();    //(4)
}

线程A (1)(2)操作没有数据依赖，实际执行时有可能会被重排序，如果先执行（2），这时候B线程的（3）判断成立进入循环，但content对象还未被实例化导致异常发生，对于使用volatile关键字修饰的变量的使用，jvm会禁止指令重排序，防止异常发生。

（三）volatile不具备原子性

在使用synchronized关键字或其他锁机制的程序代码片段中，代码片段中的操作是具有原子性的，例如 t++,volatile关键字只保证线程间的可见性，不保证多线程读写情况下的数据一致性，因此使用了volatile关键字的变量还是会面临过并发写场景下数据错误的问题，这通常通过锁机制来解决。