Java的volatile关键字

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本文深入探讨了Java中Volatile关键字的作用及其如何解决多线程环境下因CPU缓存导致的可见性和有序性问题，并指出了Volatile不能保证的操作原子性。

一、CPU缓存给多线程带来的挑战

我们先看一段简单的程序：

public class VolatileTest {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        MyThread t = new MyThread();
        t.start();
        Thread.sleep(1000);
        t.stop = true; // 语句1
    }
}

class MyThread extends Thread {
    boolean stop = false;

    @Override
    public void run() {
        long startMs = System.currentTimeMillis();
        while(!stop) {
        }
        long endMs = System.currentTimeMillis();
        System.out.println(endMs - startMs);
    }
}

上面这段代码，按理说，我们在语句一将t.stop设置为true时，MyThread应该停止运行，但是多次执行程序后，我们发现并不是这样的，当我们将t.stop设置为true时，MyThread仍在运行！

二、CPU缓存与可见性

上文的程序，导致结果与预期不符的是CPU缓存导致的。
在这里插入图片描述
MyThread对象存放在内存（堆）中，程序在执行时为了提高执行效率，会将部分程序内容从内存加载到CPU缓存中。线程（CPU）在修改变量的值以后，也不会马上将值冲刷回主内存，而其它线程也并不会每次都去主内存读取值，有可能读取自己CPU缓存那一份旧的数据。因此，一个线程更新了某个值，另一个线程可能“看不到”，这就导致了可见性问题。

三、volatile解决可见性问题

Java的volatile关键字，可以解决以上可见性问题。

Java语言规范保证：每次读取一个volatile变量时，都会从主内存读取，每次更改一个volatile变量时，都会立马写会主内存。

通过volatile关键字，我们能保证，一个线程更新了一个变量，另一个线程能够立马看到。
我们稍微修改一下上面的程序：

public class VolatileTest {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        MyThread t = new MyThread();
        t.start();
        Thread.sleep(1000);
        t.stop = true;
    }
}

class MyThread extends Thread {
    volatile boolean stop = false;

    @Override
    public void run() {
        long startMs = System.currentTimeMillis();
        while(!stop) {
        }
        long endMs = System.currentTimeMillis();
        System.out.println(endMs - startMs);
    }
}

这样子，程序在执行t.stop = true后，MyThread会立即停止。

四、volatile与有序性

什么是有序性？CPU在执行指令时，并不会按顺序执行，如果它认为，调换两个命令的顺序并不会影响程序的结果，那么为了提高效率，它可能会将这两条命令的执行顺序调换（重排序）。

class Date {
    private int year;
    private int month;
    private int day;

    public void setDate(Date date) {
        this.year = date.year; // 语句1
        this.month = date.month;  // 语句2
        this.day = date.day; // 语句3
    }
    
    public void getDate(Date date) {
        date.day = this.day; // 语句4
        date.month = this.month; // 语句5
        date.year = this.year; // 语句6
    }
}

以上程序，调用setDate()方法是，语句1,2,3哪一条先被调用无法得到保证。调用getDate()方法时，语句4,5,6哪个条先被调用无法得到保证。

volatile在保证可见性的同时，也保证了有序性。

Java语言规范保证：

一个线程在读取一个volatile变量时，所有的对这个线程可见的变量都会重新从内存中加载；
一个线程在写一个volatile变量时，这个线程在执行完以后，会将cpu缓存写回主内存；
对于volatile读操作，不允许将后面的读操作重排序到volatile读操作之前；
对于volattile写操作，不允许将前面的写操作重排序到volatile写操作之前。

因此，我们如果要保证上面程序的有序性，那么可以将day变量标记为volatile：

class Date {
    private int year;
    private int month;
    private volatile int day;

    public void setDate(Date date) {
        this.year = date.year; // 语句1
        this.month = date.month;  // 语句2
        this.day = date.day; // 语句3
    }
    
    public void getDate(Date date) {
        date.day = this.day; // 语句4
        date.month = this.month; // 语句5
        date.year = this.year; // 语句6
        
    }
}

对于写操作，我们就可以保证：语句1,2一定会在语句3之前执行，且year和month在语句3执行完后会和day一样被写回主内存；
对于读操作，我们可以保证：语句4,5一定在语句6之前执行，且year和month在语句4执行完以后会更新为主内存的最新值。

五、volatile不保证原子性

volatile并不保证原子性。例如：

volatile counter = 1;

counter = counter + 1; //语句1

语句1在执行时，如果读取完counter后，有其它线程修改了counter的值，那么程序就会出现预期之外的结果。