【线程】Volatile关键字

Volatile变量具备 synchronized 的可见性特性，可是不具有原子特性。这就是说线程可以自动发现 volatile变量的最新值。Volatile变量可用于提供线程安全，可是只能应用于很是有限的一组用例：多个变量之间或者某个变量的当前值与修改后值之间没有约束。所以，单独使用 volatile 还不足以实现计数器、互斥锁或任何具备与多个变量相关的不变式（Invariants）的类（例如 “start <=end”）。

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1、Java内存模型

Java内存模型规定了全部的变量都存储在主内存中。每条线程中还有本身的工做内存，线程的工做内存中保存了被该线程所使用到的变量（这些变量是从主内存中拷贝而来）。线程对变量的全部操做（读取，赋值）都必须在工做内存中进行。不一样线程之间也没法直接访问对方工做内存中的变量，线程间变量值的传递均须要经过主内存来完成。

 

基于此种内存模型，便产生了多线程编程中的数据“脏读”等问题。

i=10++

　Java线程之间的通讯由Java内存模型（本文简称为JMM）控制，JMM决定一个线程对共享变量的写入什么时候对另外一个线程可见。

   从抽象的角度来看，JMM定义了线程和主内存之间的抽象关系：线程之间的共享变量存储在主内存（main memory）中，每一个线程都有一个私有的本地内存（local memory），本地内存中存储了该线程以读/写共享变量的副本。本地内存是JMM的一个抽象概念，并不真实存在。它涵盖了缓存，写缓冲区，寄存器以及其余的硬件和编译器优化

执行线程必须先在本身的工做线程中对变量i所在的缓存行进行赋值操做，而后再写入主存当中。而不是直接将数值10写入主存当中。

好比同时有2个线程执行这段代码，假如初始时i的值为10，那么咱们但愿两个线程执行完以后i的值变为12。可是事实会是这样吗？

可能存在下面一种状况：初始时，两个线程分别读取i的值存入各自所在的工做内存当中，而后线程1进行加1操做，而后把i的最新值11写入到内存。此时线程2的工做内存当中i的值仍是10，进行加1操做以后，i的值为11，而后线程2把i的值写入内存。

最终结果i的值是11，而不是12。这就是著名的缓存一致性问题。一般称这种被多个线程访问的变量为共享变量。

那么如何确保共享变量在多线程访问时可以正确输出结果呢？

在解决这个问题以前，咱们要先了解并发编程的三大概念：原子性，有序性，可见性。

　缓存一致性（英语：Cache coherence，或cache coherency），又译为缓存连贯性、缓存同调，是指保留在高速缓存中的共享资源，保持数据一致性的机制。

2、原子性

1.定义

原子性：即一个操做或者多个操做 要么所有执行而且执行的过程不会被任何因素打断，要么就都不执行。

2.实例

一个很经典的例子就是银行帐户转帐问题：

好比从帐户A向帐户B转1000元，那么必然包括2个操做：从帐户A减去1000元，往帐户B加上1000元。

试想一下，若是这2个操做不具有原子性，会形成什么样的后果。假如从帐户A减去1000元以后，操做忽然停止。这样就会致使帐户A虽然减去了1000元，可是帐户B没有收到这个转过来的1000元。

因此这2个操做必需要具有原子性才能保证不出现一些意外的问题。

一样地反映到并发编程中会出现什么结果呢？

举个最简单的例子，你们想一下假如为一个32位的变量赋值过程不具有原子性的话，会发生什么后果？

i=9

倘若一个线程执行到这个语句时，我暂且假设为一个32位的变量赋值包括两个过程：为低16位赋值，为高16位赋值。

那么就可能发生一种状况：当将低16位数值写入以后，忽然被中断，而此时又有一个线程去读取i的值，那么读取到的就是错误的数据。

3.Java中的原子性

在Java中，对基本数据类型的变量的读取和赋值操做是原子性操做，即这些操做是不可被中断的，要么执行，要么不执行。

上面一句话虽然看起来简单，可是理解起来并非那么容易。看下面一个例子i：

请分析如下哪些操做是原子性操做：

x = 10;         //语句1
y = x;         //语句2
x++;           //语句3
x = x + 1;     //语句4

咋一看，可能会说上面的4个语句中的操做都是原子性操做。其实只有语句1是原子性操做，其余三个语句都不是原子性操做。

语句1是直接将数值10赋值给x，也就是说线程执行这个语句的会直接将数值10写入到工做内存中。

语句2实际上包含2个操做，它先要去读取x的值，再将x的值写入工做内存，虽然读取x的值以及 将x的值写入工做内存 这2个操做都是原子性操做，可是合起来就不是原子性操做了。

一样的，x++和 x = x+1包括3个操做：读取x的值，进行加1操做，写入新的值。

因此上面4个语句只有语句1的操做具有原子性。

也就是说，只有简单的读取、赋值（并且必须是将数字赋值给某个变量，变量之间的相互赋值不是原子操做）才是原子操做。

从上面能够看出，Java内存模型只保证了基本读取和赋值是原子性操做，若是要实现更大范围操做的原子性，能够经过synchronized和Lock来实现。因为synchronized和Lock可以保证任一时刻只有一个线程执行该代码块，那么天然就不存在原子性问题了，从而保证了原子性。

3、可见性

1.定义

可见性是指当多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了这个变量的值，其余线程可以当即看获得修改的值。

2.实例

举个简单的例子，看下面这段代码：

//线程1执行的代码
int i = 0;
i = 10;
 
//线程2执行的代码
j = i;

由上面的分析可知，当线程1执行 i =10这句时，会先把i的初始值加载到工做内存中，而后赋值为10，那么在线程1的工做内存当中i的值变为10了，却没有当即写入到主存当中。

此时线程2执行 j = i，它会先去主存读取i的值并加载到线程2的工做内存当中，注意此时内存当中i的值仍是0，那么就会使得j的值为0，而不是10.

这就是可见性问题，线程1对变量i修改了以后，线程2没有当即看到线程1修改的值。

3.Java中的可见性

对于可见性，Java提供了volatile关键字来保证可见性。

当一个共享变量被volatile修饰时，它会保证修改的值会当即被更新到主存，当有其余线程须要读取时，它会去内存中读取新值。

而普通的共享变量不能保证可见性，由于普通共享变量被修改以后，何时被写入主存是不肯定的，当其余线程去读取时，此时内存中可能仍是原来的旧值，所以没法保证可见性。

另外，经过synchronized和Lock也可以保证可见性，synchronized和Lock能保证同一时刻只有一个线程获取锁而后执行同步代码，而且在释放锁以前会将对变量的修改刷新到主存当中。所以能够保证可见性。

4、有序性

1.定义

有序性：即程序执行的顺序按照代码的前后顺序执行。

2.实例

举个简单的例子，看下面这段代码：

int i = 0;              
 
boolean flag = false;
 
i = 1;                //语句1  
flag = true;          //语句2

上面代码定义了一个int型变量，定义了一个boolean类型变量，而后分别对两个变量进行赋值操做。从代码顺序上看，语句1是在语句2前面的，那么JVM在真正执行这段代码的时候会保证语句1必定会在语句2前面执行吗？不必定，为何呢？这里可能会发生指令重排序（Instruction Reorder）。

下面解释一下什么是指令重排序，通常来讲，处理器为了提升程序运行效率，可能会对输入代码进行优化，它不保证程序中各个语句的执行前后顺序同代码中的顺序一致，可是它会保证程序最终执行结果和代码顺序执行的结果是一致的。

好比上面的代码中，语句1和语句2谁先执行对最终的程序结果并无影响，那么就有可能在执行过程当中，语句2先执行而语句1后执行。

可是要注意，虽然处理器会对指令进行重排序，可是它会保证程序最终结果会和代码顺序执行结果相同，那么它靠什么保证的呢？再看下面一个例子：

int a = 10;    //语句1
int r = 2;    //语句2
a = a + 3;    //语句3
r = a*a;     //语句4

这段代码有4个语句，那么可能的一个执行顺序是：　　

　　

那么可不多是这个执行顺序呢： 语句2 语句1 语句4 语句3

不可能，由于处理器在进行重排序时是会考虑指令之间的数据依赖性，若是一个指令Instruction 2必须用到Instruction 1的结果，那么处理器会保证Instruction 1会在Instruction 2以前执行。

虽然重排序不会影响单个线程内程序执行的结果，可是多线程呢？下面看一个例子：

//线程1:
 
context = loadContext();   //语句1
inited = true;             //语句2
 
 //线程2:
while(!inited ){
   sleep()
}
doSomethingwithconfig(context);

上面代码中，因为语句1和语句2没有数据依赖性，所以可能会被重排序。假如发生了重排序，在线程1执行过程当中先执行语句2，而此是线程2会觉得初始化工做已经完成，那么就会跳出while循环，去执行doSomethingwithconfig(context)方法，而此时context并无被初始化，就会致使程序出错。

从上面能够看出，指令重排序不会影响单个线程的执行，可是会影响到线程并发执行的正确性。

也就是说，要想并发程序正确地执行，必需要保证原子性、可见性以及有序性。只要有一个没有被保证，就有可能会致使程序运行不正确。

3.Java中的有序性

在Java内存模型中，容许编译器和处理器对指令进行重排序，可是重排序过程不会影响到单线程程序的执行，却会影响到多线程并发执行的正确性。

在Java里面，能够经过volatile关键字来保证必定的“有序性”。另外能够经过synchronized和Lock来保证有序性，很显然，synchronized和Lock保证每一个时刻是有一个线程执行同步代码，至关因而让线程顺序执行同步代码，天然就保证了有序性。

另外，Java内存模型具有一些先天的“有序性”，即不须要经过任何手段就可以获得保证的有序性，这个一般也称为 happens-before 原则。若是两个操做的执行次序没法从happens-before原则推导出来，那么它们就不能保证它们的有序性，虚拟机能够随意地对它们进行重排序。

下面就来具体介绍下happens-before原则（先行发生原则）：

①程序次序规则：一个线程内，按照代码顺序，书写在前面的操做先行发生于书写在后面的操做

②锁定规则：一个unLock操做先行发生于后面对同一个锁的lock操做

③volatile变量规则：对一个变量的写操做先行发生于后面对这个变量的读操做

④传递规则：若是操做A先行发生于操做B，而操做B又先行发生于操做C，则能够得出操做A先行发生于操做C

⑤线程启动规则：Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每一个一个动做

⑥线程中断规则：对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生

⑦线程终结规则：线程中全部的操做都先行发生于线程的终止检测，咱们能够经过Thread.join()方法结束、Thread.isAlive()的返回值手段检测到线程已经终止执行

⑧对象终结规则：一个对象的初始化完成先行发生于他的finalize()方法的开始

这8条规则中，前4条规则是比较重要的，后4条规则都是显而易见的。

下面咱们来解释一下前4条规则：

对于程序次序规则来讲，就是一段程序代码的执行在单个线程中看起来是有序的。注意，虽然这条规则中提到“书写在前面的操做先行发生于书写在后面的操做”，这个应该是程序看起来执行的顺序是按照代码顺序执行的，可是虚拟机可能会对程序代码进行指令重排序。虽然进行重排序，可是最终执行的结果是与程序顺序执行的结果一致的，它只会对不存在数据依赖性的指令进行重排序。所以，在单个线程中，程序执行看起来是有序执行的，这一点要注意理解。事实上，这个规则是用来保证程序在单线程中执行结果的正确性，但没法保证程序在多线程中执行的正确性。

第二条规则也比较容易理解，也就是说不管在单线程中仍是多线程中，同一个锁若是处于被锁定的状态，那么必须先对锁进行了释放操做，后面才能继续进行lock操做。

第三条规则是一条比较重要的规则。直观地解释就是，若是一个线程先去写一个变量，而后一个线程去进行读取，那么写入操做确定会先行发生于读操做。

第四条规则实际上就是体现happens-before原则具有传递性。

5、深刻理解volatile关键字

1.volatile保证可见性

一旦一个共享变量（类的成员变量、类的静态成员变量）被volatile修饰以后，那么就具有了两层语义：

1）保证了不一样线程对这个变量进行操做时的可见性，即一个线程修改了某个变量的值，这新值对其余线程来讲是当即可见的。

2）禁止进行指令重排序。

先看一段代码，假如线程1先执行，线程2后执行：

//线程1
boolean stop = false;
while(!stop){
    doSomething();
}
 
//线程2
stop = true;

这段代码是很典型的一段代码，不少人在中断线程时可能都会采用这种标记办法。可是事实上，这段代码会彻底运行正确么？即必定会将线程中断么？不必定，也许在大多数时候，这个代码可以把线程中断，可是也有可能会致使没法中断线程（虽然这个可能性很小，可是只要一旦发生这种状况就会形成死循环了）。

下面解释一下这段代码为什么有可能致使没法中断线程。在前面已经解释过，每一个线程在运行过程当中都有本身的工做内存，那么线程1在运行的时候，会将stop变量的值拷贝一份放在本身的工做内存当中。

那么当线程2更改了stop变量的值以后，可是还没来得及写入主存当中，线程2转去作其余事情了，那么线程1因为不知道线程2对stop变量的更改，所以还会一直循环下去。

可是用volatile修饰以后就变得不同了：

第一：使用volatile关键字会强制将修改的值当即写入主存；

第二：使用volatile关键字的话，当线程2进行修改时，会致使线程1的工做内存中缓存变量stop的缓存行无效（反映到硬件层的话，就是CPU的L1或者L2缓存中对应的缓存行无效）；

第三：因为线程1的工做内存中缓存变量stop的缓存行无效，因此线程1再次读取变量stop的值时会去主存读取。

那么在线程2修改stop值时（固然这里包括2个操做，修改线程2工做内存中的值，而后将修改后的值写入内存），会使得线程1的工做内存中缓存变量stop的缓存行无效，而后线程1读取时，发现本身的缓存行无效，它会等待缓存行对应的主存地址被更新以后，而后去对应的主存读取最新的值。

那么线程1读取到的就是最新的正确的值。

2.volatile不能确保原子性

下面看一个例子：

public class Test {
    public volatile int inc = 0;
 
    public void increase() {
        inc++;
    }
 
    public static void main(String[] args) {
        final Test test = new Test();
        for(int i=0;i<10;i++){
            new Thread(){
                public void run() {
                    for(int j=0;j<1000;j++)
                        test.increase();
                };
            }.start();
        }
 
        while(Thread.activeCount()>1)  //保证前面的线程都执行完
            Thread.yield();
        System.out.println(test.inc);
    }
}

你们想一下这段程序的输出结果是多少？也许有些朋友认为是10000。可是事实上运行它会发现每次运行结果都不一致，都是一个小于10000的数字。

可能有的朋友就会有疑问，不对啊，上面是对变量inc进行自增操做，因为volatile保证了可见性，那么在每一个线程中对inc自增完以后，在其余线程中都能看到修改后的值啊，因此有10个线程分别进行了1000次操做，那么最终inc的值应该是1000*10=10000。

这里面就有一个误区了，volatile关键字能保证可见性没有错，可是上面的程序错在没能保证原子性。可见性只能保证每次读取的是最新的值，可是volatile没办法保证对变量的操做的原子性。

在前面已经提到过，自增操做是不具有原子性的，它包括读取变量的原始值、进行加1操做、写入工做内存。那么就是说自增操做的三个子操做可能会分割开执行，就有可能致使下面这种状况出现：

假如某个时刻变量inc的值为10，

线程1对变量进行自增操做，线程1先读取了变量inc的原始值，而后线程1被阻塞了；

而后线程2对变量进行自增操做，线程2也去读取变量inc的原始值，因为线程1只是对变量inc进行读取操做，而没有对变量进行修改操做，因此不会致使线程2的工做内存中缓存变量inc的缓存行无效，也不会致使主存中的值刷新，因此线程2会直接去主存读取inc的值，发现inc的值时10，而后进行加1操做，并把11写入工做内存，最后写入主存。

而后线程1接着进行加1操做，因为已经读取了inc的值，注意此时在线程1的工做内存中inc的值仍然为10，因此线程1对inc进行加1操做后inc的值为11，而后将11写入工做内存，最后写入主存。

那么两个线程分别进行了一次自增操做后，inc只增长了1。

根源就在这里，自增操做不是原子性操做，并且volatile也没法保证对变量的任何操做都是原子性的。

解决方案：能够经过synchronized或lock，进行加锁，来保证操做的原子性。也能够经过AtomicInteger。

在java 1.5的java.util.concurrent.atomic包下提供了一些原子操做类，即对基本数据类型的 自增（加1操做），自减（减1操做）、以及加法操做（加一个数），减法操做（减一个数）进行了封装，保证这些操做是原子性操做。atomic是利用CAS来实现原子性操做的（Compare And Swap），CAS其实是利用处理器提供的CMPXCHG指令实现的，而处理器执行CMPXCHG指令是一个原子性操做。

3.volatile保证有序性

在前面提到volatile关键字能禁止指令重排序，因此volatile能在必定程度上保证有序性。

volatile关键字禁止指令重排序有两层意思：

1）当程序执行到volatile变量的读操做或者写操做时，在其前面的操做的更改确定所有已经进行，且结果已经对后面的操做可见；在其后面的操做确定尚未进行；

2）在进行指令优化时，不能将在对volatile变量的读操做或者写操做的语句放在其后面执行，也不能把volatile变量后面的语句放到其前面执行。

可能上面说的比较绕，举个简单的例子：

 

//x、y为非volatile变量
//flag为volatile变量
 
x = 2;        //语句1
y = 0;        //语句2
flag = true;  //语句3
x = 4;         //语句4
y = -1;       //语句5

因为flag变量为volatile变量，那么在进行指令重排序的过程的时候，不会将语句3放到语句一、语句2前面，也不会讲语句3放到语句四、语句5后面。可是要注意语句1和语句2的顺序、语句4和语句5的顺序是不做任何保证的。

而且volatile关键字能保证，执行到语句3时，语句1和语句2一定是执行完毕了的，且语句1和语句2的执行结果对语句三、语句四、语句5是可见的。

那么咱们回到前面举的一个例子：

//线程1:
context = loadContext();   //语句1
inited = true;             //语句2
 
//线程2:
while(!inited ){
  sleep()
}
doSomethingwithconfig(context);

前面举这个例子的时候，提到有可能语句2会在语句1以前执行，那么久可能致使context还没被初始化，而线程2中就使用未初始化的context去进行操做，致使程序出错。

这里若是用volatile关键字对inited变量进行修饰，就不会出现这种问题了，由于当执行到语句2时，一定能保证context已经初始化完毕。

6、volatile的实现原理

1.可见性

处理器为了提升处理速度，不直接和内存进行通信，而是将系统内存的数据独到内部缓存后再进行操做，但操做完后不知何时会写到内存。

若是对声明了volatile变量进行写操做时，JVM会向处理器发送一条Lock前缀的指令，将这个变量所在缓存行的数据写会到系统内存。 这一步确保了若是有其余线程对声明了volatile变量进行修改，则当即更新主内存中数据。

但这时候其余处理器的缓存仍是旧的，因此在多处理器环境下，为了保证各个处理器缓存一致，每一个处理会经过嗅探在总线上传播的数据来检查 本身的缓存是否过时，当处理器发现本身缓存行对应的内存地址被修改了，就会将当前处理器的缓存行设置成无效状态，当处理器要对这个数据进行修改操做时，会强制从新从系统内存把数据读处处理器缓存里。 这一步确保了其余线程得到的声明了volatile变量都是从主内存中获取最新的。

2.有序性

Lock前缀指令实际上至关于一个内存屏障（也成内存栅栏），它确保指令重排序时不会把其后面的指令排到内存屏障以前的位置，也不会把前面的指令排到内存屏障的后面；即在执行到内存屏障这句指令时，在它前面的操做已经所有完成。

7、volatile的应用场景

synchronized关键字是防止多个线程同时执行一段代码，那么就会很影响程序执行效率，而volatile关键字在某些状况下性能要优于synchronized，可是要注意volatile关键字是没法替代synchronized关键字的，由于volatile关键字没法保证操做的原子性。一般来讲，使用volatile必须具有如下2个条件：

1）对变量的写操做不依赖于当前值

2）该变量没有包含在具备其余变量的不变式中

下面列举几个Java中使用volatile的几个场景。

①.状态标记量

volatile boolean flag = false;
 //线程1
while(!flag){
    doSomething();
}
  //线程2
public void setFlag() {
    flag = true;
}

　　

根据状态标记，终止线程。

②.单例模式中的double check

class Singleton{
    private volatile static Singleton instance = null;
 
    private Singleton() {
 
    }
 
    public static Singleton getInstance() {
        if(instance==null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if(instance==null)
                    instance = new Singleton();
            }
        }
        return instance;
    }
}

为何要使用volatile 修饰instance？

主要在于instance = new Singleton()这句，这并不是是一个原子操做，事实上在 JVM 中这句话大概作了下面 3 件事情:

1.给 instance 分配内存

2.调用 Singleton 的构造函数来初始化成员变量

3.将instance对象指向分配的内存空间（执行完这步 instance 就为非 null 了）。

可是在 JVM 的即时编译器中存在指令重排序的优化。也就是说上面的第二步和第三步的顺序是不能保证的，最终的执行顺序多是 1-2-3 也多是 1-3-2。若是是后者，则在 3 执行完毕、2 未执行以前，被线程二抢占了，这时 instance 已是非 null 了（但却没有初始化），因此线程二会直接返回 instance，而后使用，而后瓜熟蒂落地报错。