java volatile

在java线程并发处理中,有一个关键字volatile的使用目前存在很大的混淆,以为使用这个关键字,在进行多线程并发处理的时候就可以万事大吉。

Java语言是支持多线程的,为了解决线程并发的问题,在语言内部引入了 同步块 和 volatile 关键字机制。

 

synchronized 

同步块大家都比较熟悉,通过 synchronized 关键字来实现,所有加上synchronized 和 块语句,在多线程访问的时候,同一时刻只能有一个线程能够用

synchronized 修饰的方法 或者 代码块。

 

volatile

用volatile修饰的变量,线程在每次使用变量的时候,都会读取变量修改后的最的值。volatile很容易被误用,用来进行原子性操作。

 

下面看一个例子,我们实现一个计数器,每次线程启动的时候,会调用计数器inc方法,对计数器进行加一

 

执行环境——jdk版本:jdk1.6.0_31 ,内存 :3G   cpu:x86 2.4G

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public  class  Counter {
 
     public  static  int  count = 0 ;
 
     public  static  void  inc() {
 
         //这里延迟1毫秒,使得结果明显
         try  {
             Thread.sleep( 1 );
         } catch  (InterruptedException e) {
         }
 
         count++;
     }
 
     public  static  void  main(String[] args) {
 
         //同时启动1000个线程,去进行i++计算,看看实际结果
 
         for  ( int  i = 0 ; i < 1000 ; i++) {
             new  Thread( new  Runnable() {
                 @Override
                 public  void  run() {
                     Counter.inc();
                 }
             }).start();
         }
 
         //这里每次运行的值都有可能不同,可能为1000
         System.out.println( "运行结果:Counter.count="  + Counter.count);
     }
}
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运行结果:Counter.count= 995
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实际运算结果每次可能都不一样,本机的结果为:运行结果:Counter.count= 995 ,可以看出,在多线程的环境下,Counter.count并没有期望结果是 1000
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很多人以为,这个是多线程并发问题,只需要在变量count之前加上 volatile 就可以避免这个问题,那我们在修改代码看看,看看结果是不是符合我们的期望
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public  class  Counter {
 
     public  volatile  static  int  count = 0 ;
 
     public  static  void  inc() {
 
         //这里延迟1毫秒,使得结果明显
         try  {
             Thread.sleep( 1 );
         } catch  (InterruptedException e) {
         }
 
         count++;
     }
 
     public  static  void  main(String[] args) {
 
         //同时启动1000个线程,去进行i++计算,看看实际结果
 
         for  ( int  i = 0 ; i < 1000 ; i++) {
             new  Thread( new  Runnable() {
                 @Override
                 public  void  run() {
                     Counter.inc();
                 }
             }).start();
         }
 
         //这里每次运行的值都有可能不同,可能为1000
         System.out.println( "运行结果:Counter.count="  + Counter.count);
     }
}

运行结果:Counter.count=992

运行结果还是没有我们期望的1000,下面我们分析一下原因

 

在 java 垃圾回收整理一文中,描述了jvm运行时刻内存的分配。其中有一个内存区域是jvm虚拟机栈,每一个线程运行时都有一个线程栈,

线程栈保存了线程运行时候变量值信息。当线程访问某一个对象时候值的时候,首先通过对象的引用找到对应在堆内存的变量的值,然后把堆内存

变量的具体值load到线程本地内存中,建立一个变量副本,之后线程就不再和对象在堆内存变量值有任何关系,而是直接修改副本变量的值,

在修改完之后的某一个时刻(线程退出之前),自动把线程变量副本的值回写到对象在堆中变量。这样在堆中的对象的值就产生变化了。下面一幅图

描述这写交互

 

java volatile1

 

 

read and load 从主存复制变量到当前工作内存
use and assign  执行代码,改变共享变量值 
store and write 用工作内存数据刷新主存相关内容

其中use and assign 可以多次出现

但是这一些操作并不是原子性,也就是 在read load之后,如果主内存count变量发生修改之后,线程工作内存中的值由于已经加载,不会产生对应的变化,所以计算出来的结果会和预期不一样

对于volatile修饰的变量,jvm虚拟机只是保证从主内存加载到线程工作内存的值是最新的

例如假如线程1,线程2 在进行read,load 操作中,发现主内存中count的值都是5,那么都会加载这个最新的值

在线程1堆count进行修改之后,会write到主内存中,主内存中的count变量就会变为6

线程2由于已经进行read,load操作,在进行运算之后,也会更新主内存count的变量值为6

导致两个线程及时用volatile关键字修改之后,还是会存在并发的情况。

<think>首先,用户的问题是:“我想了解JAVAvolatile关键字的用法或解决相关问题。请问Javavolatilekeywordusageandbehavior”,这翻译成中文是:“我想了解JAVAvolatile关键字的用法或解决相关问题。请问Javavolatile关键字用法和行为”。用户提供了三个参考资料,需要参考这些资料来回答。但是,用户说“上述引用仅供参考,并不是用户真正的需求”,所以我不应该过分依赖这些引用,但可以从中提取相关信息。用户还提示“尽可能多的参考用户上一次的问题和你的回答”,但检查对话历史,用户上一次的消息是初始系统指令,没有之前的交互。所以,我专注于当前问题。关键要求:-所有行内数学表达式使用$...$格式。-独立公式使用$$...$$并单独成段。-LaTeX语法正确。-使用中文回答。-生成相关问题。-在引用的段落末尾自然地添加引用标识。现在,分析用户提供的引用:-引用[1]:描述了多线程中共享变量的问题,使用int值,没有volatile时,线程可能看到过时的值。这是MutableInteger类。-引用[2]:提到volatile用于解决多线程中内存不可见性问题,write-once-read-many可以解决变量同步,但write-many不能保证线程安全。推荐使用AtomicInteger来避免count++的问题。-引用[3]:展示了Java代码,创建500个线程执行任务,但代码中使用的是普通变量,没有volatile。这可能涉及线程管理,但与volatile的直接相关度不高。用户的问题是专门关于Javavolatile关键字的用法和行为,所以我需要围绕这个主题构建回答。核心主题:Javavolatile关键字的用法和行为。-什么是volatile关键字?-它如何工作?解决什么问题?-常见的用法场景。-限制和替代方案(如AtomicInteger)。-代码示例来演示。从引用中提取相关信息:-从[2]:volatile用于解决多线程中内存不可见性问题。Write-once-read-many可以解决变量同步,但write-many不能保证线程安全。例如,对于count++,使用AtomicInteger。-从[1]:如果不使用volatile或其他同步机制,线程可能会看到过时的值。结构回答:1.**介绍volatile的概念**:解释volatile是什么,其作用和解决的问题。2.**工作行为**:描述其如何确保可见性和有序性(但注意,volatile不保证原子性)。3.**用法示例**:提供代码演示volatile的使用,并与非volatile对比。4.**限制**:讨论volatile的限制,如对于read-modify-write操作(count++)需要其他方式。5.**替代方案**:如使用synchronized或java.util.concurrent.atomic包。6.**总结**:何时使用volatile。生成相关问题:-列出3-4个相关问题,以鼓励进一步学习。语言:使用中文回答。确保格式化:-行内数学表达式:如果提到数学概念(比如在讨论锁或算法),可能用$...$格式,但volatile主题可能不需要太多数学。或许在讨论性能或理论时用到。-例如,在解释内存模型时,可能需要用$...$来表示变量或表达式。-独立公式:如果涉及,比如讨论CPU缓存或流水线,但简单描述即可。-LaTeX语法正确:确保任何数学正确。-添加引用标识:如果在回答中使用了引用中的内容,在末尾添加[^n]。可能的数学使用点:-在解释硬件模型时,或许用符号表示内存操作,如$load$和$store$。-原子性讨论中,可能用$read-modify-write$来表示操作。代码示例:提供Java代码块,并确保用Markdown格式化,如```java...```。生成相关问题:-例如:1.volatile关键字如何解决内存可见性问题?2.volatile和synchronized有什么区别?3.在什么情况下应该使用volatile?4.如何用AtomicInteger解决并发计数问题?引用使用:-如果在回答中直接提到引用中的概念,如“从引用[2]可知,volatile可以解决内存不可见性问题”,然后在末尾加[^2]。自然地融入。完整回答结构:-以清晰的标题开头。-分步骤解释。-结束相关问题。</think> ### Java volatile 关键字的用法和行为 Java 的 `volatile` 关键字用于解决多线程环境中的内存可见性问题,确保当一个线程修改了共享变量时,其他线程能立即看到最新的值。然而,它不保证原子性操作(如 `count++`),这些操作可能还需要其他同步机制。下面我将分步解释其用法和行为,参考您提供的引用和 Java 标准规范。 #### 1. **volatile 的作用和解决的问题** 在 Java 内存模型中,线程共享变量的值可能被缓存在本地 CPU 缓存中,导致其他线程无法感知值的变化。volatile 通过禁止这种缓存优化,强制读写直接操作主内存,从而保证变量的*可见性*。从引用[2]可知: > volatile is used to solve the problem of invisible memory in multiple threads. [^2] 这意味着 volatile 能够解决变量更新的可见性问题,但仅限于 write-once-read-many(例如标志位变量)场景。对于 write-many 操作,volatile 无法提供线程安全。 #### 2. **volatile 的行为细节** - **可见性保证**:当一个 volatile 变量被修改时,所有线程都能立即看到更新,避免读取过时的值(stale value),如引用[1]中的 `MutableInteger` 问题所示。 - **有序性保证**:volatile 在读写操作前后插入内存屏障(memory barrier),确保指令有序执行,防止指令重排序优化。 - **限制**:volatile 不保证原子性。例如,`count++` 操作涉及多个步骤($ \text{read} \rightarrow \text{increment} \rightarrow \text{write} $),在并发环境下可能导致数据竞争(race condition)。引用[2]建议使用 `AtomicInteger` 替代: > For count++, use below example: AtomicInteger count = new AtomicInteger(); count.addAndGet(1); [^2] #### 3. **volatile 的常见用法** volatile 适用于以下场景: - **状态标志**:一个线程改变布尔标志(如 `volatile boolean running`),其他线程读取其值实现控制。 - **简单共享变量**:只读或单写变量的场景。 下面是一个代码示例,展示非 volatile 问题(类似于引用[1])和 volatile 修复方案。参考引用[3],创建多个线程测试: ```java // 问题示例:没有 volatile 时,线程可能看到过时的值 public class SharedCounter { private int count = 0; // 非 volatile,可能导致可见性问题 public void increment() { count++; } public int getCount() { return count; } } // 修复示例:使用 volatile 或原子类 public class FixedSharedCounter { private volatile int count = 0; // volatile 保证可见性但不保证原子性 // 原子操作应使用 AtomicInteger private final AtomicInteger atomicCount = new AtomicInteger(0); public void incrementVolatile() { count++; // 不安全,因为操作非原子 } public void incrementAtomic() { atomicCount.incrementAndGet(); // 安全的原子操作 } public int getVolatileCount() { return count; } public int getAtomicCount() { return atomicCount.get(); } } ``` 在该代码中: - `count++` 如果没有额外同步(如 synchronized 或原子类),会导致不一致结果。 - `volatile` 解决可见性问题,但推荐 `AtomicInteger` 来处理 `count++` 的原子性。 #### 4. **volatile 的替代方案和最佳实践** - **Atomic 类**:如 `AtomicInteger`, `AtomicBoolean` 提供原子操作。 - **synchronized**:保证可见性和原子性,但性能开销更大。例如: ```java public synchronized void increment() { count++; // 完全线程安全 } ``` - **限制**:volatile 不适用于复杂数据结构和频繁写操作。从理论角度,volatile 变量的行为遵循 Java 内存模型规则:所有线程观察到的值一致,但对于涉及多个变量的复合操作(如 $ \text{if (flag) then action} $),可能需要锁或原子类。 #### 总结 volatile 是多线程编程中的一个简单工具,主要用于确保变量更新的可见性。对于原子性要求高的场景(如计数器),应结合 `java.util.concurrent.atomic` 包使用。参考引用[3],在多线程环境下合理设计以避免 stale data 和竞态条件至关重要。[^1][^2][^3]
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