[java]volatile关键字作用和用法

本文深入解析Java中的Volatile关键字,探讨其如何确保多线程环境下共享数据的内存可见性,防止指令重排序,并分析其优势与局限性。

摘要生成于 C知道 ,由 DeepSeek-R1 满血版支持, 前往体验 >

一,volatile关键字的作用

  • 保持多个线程对共享数据操作内存的可见性
  • 禁止指令重排序

二,什么是内存可见性?

1.为什么会产生内存不可见性?
在硬件通过cache来提高访存的效率
  • 在学习计算机组成原理中我们曾了解过主存和高速缓存cache,为了解决CPU速度和主存速度不匹配。于是产生了高速缓冲存储器cache。

  • CPU和cache的数据交换:当CPU读取内存中的一个字时,便发出此字的内存地址到cache和主存。此时通过逻辑依据地址判断此字当前是否在cache中:若是,此字立即传送给CPU,若非,则用主存读周期把此字从主存送到CPU,与此同时,把含有这个字的整个数据块从主存读出送到cache中。这样大大缩短了读取数据的时间。

jvm通过备份主存的数据来提高访存的效率
  • 我们知道,操作主存速度很慢。当我们有多个线程同时操作主存时,降低了程序的执行速度。
  • jvm会为每个线程分配一个区域,用来备份主存中的数据。每个线程通过操作自己区域中的数据,操作完成后,只需要刷新到主存即可。这样就引发了多线程操作共享数据的内存不可见性!
三,保持内存可见性的办法

可以当之无愧的被称为Java并发编程中“出现频率最高的关键字”volatitle,常用于保持内存可见性和防止指令重排序。

  • 下面是一个例程:
/**
 * 测试多线程操作共享数据的内存不可见性
 * @author 91681
 *
 */
public class VolatileDemo1 {
	
	
	public static void main(String[] args) {
		Resource r = new Resource();
		new Thread(r).start();
		while(true){
			if(r.isFlag()){
				System.out.println("退出循环");
				break;
			}
		}
	
	}
}
class Resource implements Runnable{
	private boolean flag = false;
	public void run(){
		flag = true;
		System.out.println("flag="+flag);
	}
	public boolean isFlag() {
		return flag;
	}
	public void setFlag(boolean flag) {
		this.flag = flag;
	}
}

我们运行程序奇怪的发现程序没有停止运行!!!分析原因。。。在这里插入图片描述
当我们加上volatile关键字后,程序正常退出。
为什么:加上volatile关键字后,在线程空间中修改或读取主存中的共享数据时,其实就像在主存中读取或修改一样。每次进行操作后,都会进行刷新副本到主存。

四,volatile的优势

相比较synchronize是一个轻量级的控制并发的组件,系统开销比较小

四,volatile的局限性

  • 不能解决互斥问题
    volatile只能保证线程中的共享数据是实时的,线程的互斥问题还得用synchronize或semarphone

  • 不能保证对它修饰的变量具有原子性
    首先需要了解的是,Java中只有对基本类型变量的赋值和读取是原子操作,如i = 1的赋值操作,但是像j = i或者i++这样的操作都不是原子操作,因为他们都进行了多次原子操作,比如先读取i的值,再将i的值赋值给j,两个原子操作加起来就不是原子操作了。

    所以,如果一个变量被volatile修饰了,那么肯定可以保证每次读取这个变量值的时候得到的值是最新的,但是一旦需要对变量进行自增这样的非原子操作,就不会保证这个变量的原子性了。

    举个栗子

    一个变量i被volatile修饰,两个线程想对这个变量修改,都对其进行自增操作也就是i++,i++的过程可以分为三步,首先获取i的值,其次对i的值进行加1,最后将得到的新值写会到缓存中。
    线程A首先得到了i的初始值100,但是还没来得及修改,就阻塞了,这时线程B开始了,它也得到了i的值,由于i的值未被修改,即使是被volatile修饰,主存的变量还没变化,那么线程B得到的值也是100,之后对其进行加1操作,得到101后,将新值写入到缓存中,再刷入主存中。根据可见性的原则,这个主存的值可以被其他线程可见。
    问题来了,线程A已经读取到了i的值为100,也就是说读取的这个原子操作已经结束了,所以这个可见性来的有点晚,线程A阻塞结束后,继续将100这个值加1,得到101,再将值写到缓存,最后刷入主存,所以即便是volatile具有可见性,也不能保证对它修饰的变量具有原子性。

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