volatile 关键字的底层实现原理

最新推荐文章于 2025-06-17 19:34:29 发布

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本文深入探讨了Java并发编程中的volatile关键字，解释了其如何保证多线程环境下共享变量的可见性，以及与synchronized的区别和优势。

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参考书籍：《Java 并发编程的艺术》 - 方腾飞魏鹏程晓明著

在并发编程中，synchronized 和 volatile 这两个关键字都扮演着重要的角色，volatile 是轻量级的 synchronized，它在多处理器开发中保证了共享变量的 “可见性”。

那么什么是 “可见性” 呢？

可见性的意思是当一个线程修改一个共享变量时，另外一个线程能读到这个修改的值

如果 volatile 使用得当的话，它会比 synchronized 的成本更低，因为它不会造成线程的阻塞，也就不会导致上下文切换和调度，所以性能更好，开销更低。

volatile 定义

Java 语言规范第 3 版对 volatile 的定义如下：

Java 编程语言允许线程访问共享变量，为了确保共享变量能被准确和一致地更新，线程应该确保通过排它锁单独获得这个变量。

Java 提供了 volatile，在某些情况下比锁要更加方便。

如果一个字段被声明为 volatile，Java 的线程内存模型（JMM）确保所有线程看到这个变量的值是一致的。

volatile 实现原理

看一个简单的例子：

private volatile Singleton instance = null;

public Singleton getInstance(){
        if(instance == null){
            instance = new Singleton(); 
        }
        return instance;
}

instance 这个成员变量是被 volatile 关键字修饰的，所以 instance 这个引用的改变对于各个线程来说是 “可见的”。那么 volatile 是如何保证可见性的呢？

我们在 x86 处理器下通过工具获取 JIT 编译器生成汇编指令来查看对 volatile 进行写操作时，CPU 会做什么事情（就是这句代码：instance = new Singleton();）。

转成汇编代码如下：

0x01a3deld: movb $0x0,0x1104800(%esi);0x01a3de24: lock add1 $0x0,(%esp);

有 volatile 变量修饰的共享变量进行写操作的时候会多出第二行汇编代码，Lock 前缀的指令在多核处理器下会引发两件事情：

将当前处理器缓存行的数据写回到系统内存。
这个写回内存的会使在其他 CPU 里缓存了该内存地址的数据无效。

正是这两个额外的事件，使得 volatile 保证了共享变量的 “可见性”。