Java关键字volatile

概述


Java语言中关键字 volatile 被称作轻量级的 synchronized，与synchronized相比，volatile编码相对简单且运行的时的开销较少，但能够正确合理的应用好 volatile 并不是那么的容易，因为它比使用锁更容易出错，接下来本文主要介绍 volatile 的使用准则，以及使用过程中需注意的地方。

volatile关键字提供了内存可见性和禁止内存重排序

因为在虚拟机内存中有主内存和工作内存的概念，每个cpu都有自己的工作内存，当读取一个普通变量时，优先读取工作内存的变量，如果工作内存中没有对应的变量，则从主内存中加载到工作内存，对工作内存的普通变量进行修改，不会立马同步到主内存，内存可见性保证了在多线程的场景下，保证了线程A对变量的修改，其它线程可以读到最新值，当对volatile修饰的变量进行写操作时，直接把最新值写到主内存中，并清空其它cpu工作内存中该变量所在的内存行数据，当对volatile修饰的变量进行读操作时，会读取主内存的数据。

为何使用volatile？


（1）简易性：在某些需要同步的场景下使用volatile变量要比使用锁更加简单


（2）性能：在某些情况下使用volatile同步机制的性能要优于锁


（3）volatile操作不会像锁一样容易造成阻塞


volatile特性


（1）volatile 变量具有 synchronized 的可见性特性，及如果一个字段被声明为volatile，java线程内存模型确保所有的线程看到这个变量的值是一致的


（2）禁止进行指令重排序


（3）不保证原子性


注：


① 重排序：重排序通常是编译器或运行时环境为了优化程序性能而采取的对指令进行重新排序执行的一种手段


② 原子性：不可中断的一个或一系列操作


③ 可见性：锁提供了两种主要特性：互斥和可见性，互斥即一次只允许一个线程持有某个特定的锁，因此可使用该特性实现对共享数据的协调访问协议，这样，一次就只有一个线程能够使用该共享数据。可见性要更加复杂一些，它必须确保释放锁之前对共享数据做出的更改对于随后获得该锁的另一个线程是可见的。


volatile的实现原理


如果对声明了volatile的变量进行写操作，JVM就会向处理器发送一条Lock前缀的指令，该Lock指令会使这个变量所在缓存行的数据回写到系统内存，根据缓存一致性协议，每个处理器都会通过嗅探在总线上传输的数据来检查自己缓存的值是否已过期，当处理器发现自己的缓存行对应的地址被修改，就会将当前处理器的缓存行设置成无效状态，在下次访问相同内存地址时，强制执行缓存行填充。


正确使用volatile的场景


volatile 主要用来解决多线程环境中内存不可见问题。对于一写多读，是可以解决变量同步问题，但是如果多写，就无法解决线程安全问题。如：


1、不适合使用volatile的场景（非原子性操作）


（1）反例


private static volatile int nextSerialNum = 0;
public static long generateSerialNum() {
   return nextSerialNum++;
}
这个方法的目的是要确保每次调用都返回不同的自增值，然而结果并不理想，问题在于增量操作符（++）不是原子操作，实际上它是一个由读取－修改－写入操作序列组成的组合操作，如果第二个线程在第一个线程读取旧值和写回新值期间读取这个域，第二个线程与第一个线程就会读取到同一个值。


（2）正例


其实面对上面的反例场景可以使用JDK1.5 java.util.concurrent.atomic中提供的原子包装类型来保证原子性操作


private static AtomicInteger nextSerialNum = new AtomicInteger(0);
public static long generateSerialNum() {
   return nextSerialNum.getAndIncrement();
}
2、适合使用volatile的场景


在日常工作当中volatile大多被在状态标志的场景当中，如：


要通过一个线程来终止另外一个线程的场景


（1）反例


private static boolean stopThread;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
   Thread th = new Thread(new Runnable() {
      @Override
      public void run() {
         int i = 0;
         while (!stopThread) {
            i++;
         }
      }
   });
   th.start();
   TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
   stopThread = true;
}
运行后发现该程序根本无法终止循环，原因是，java语言规范并不保证一个线程写入的值对另外一个线程是可见的，所以即使主线程main函数修改了共享变量stopThread状态，但是对th线程并不一定可见，最终导致循环无法终止。


（2）正例


private static volatile boolean stopThread;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
   Thread th = new Thread(new Runnable() {
      @Override
      public void run() {
         int i = 0;
         while (!stopThread) {
            i++;
         }
      }
   });
   th.start();
   TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
   stopThread = true;
}
通过使用关键字volatile修饰共享变量stopThread，根据volatile的可见性原则可以保证主线程main函数修改了共享变量stopThread状态后对线程th来说是立即可见的，所以在两秒内线程th将停止循环。