深刻剖析volatile关键字

时间 2019-11-08

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volatile的原理和实现机制

若是一个共享变量（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：html

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。
禁止进行指令重排序。

在Java中long赋值不是原子操做，由于先写32位，再写后32位，分两步操做，而AtomicLong赋值是原子操做，为何？为何volatile能替代简单的锁，却不能保证原子性？这里面涉及volatile，是java中的一个我以为这个词在Java规范中从未被解释清楚的神奇关键词，在Sun的JDK官方文档是这样形容volatile的：java

The Java programming language provides a second mechanism, volatile fields, that is more convenient than locking for some purposes. A field may be declared volatile, in which case the Java Memory Model ensures that all threads see a consistent value for the variable.c++

意思就是说，若是一个变量加了volatile关键字，就会告诉编译器和JVM的内存模型：这个变量是对全部线程共享的、可见的，每次jvm都会读取最新写入的值并使其最新值在全部CPU可见。volatile彷佛是有时候能够代替简单的锁，彷佛加了volatile关键字就省掉了锁。但又说volatile不能保证原子性（java程序员很熟悉这句话：volatile仅仅用来保证该变量对全部线程的可见性，但不保证原子性）。这不是互相矛盾吗？程序员

volatile到底如何保证可见性和禁止指令重排序的。“观察加入volatile关键字和没有加入volatile关键字时所生成的汇编代码发现，加入volatile关键字时，会多出一个lock前缀指令”（摘自《深刻理解Java虚拟机》）lock前缀指令实际上至关于一个内存屏障（也成内存栅栏），内存屏障会提供3个功能：缓存

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；
它会强制将对缓存的修改操做当即写入主存；
若是是写操做，它会致使其余CPU中对应的缓存行无效。

例如你让一个volatile的integer自增（i++）；安全

mov    0xc(%r10),%r8d ; Load（读取volatile变量值到local）
inc    %r8d           ; Increment（增长变量的值）
mov    %r8d,0xc(%r10) ; Store（把local的值写回，，让其它的线程可见）
lock addl $0x0,(%rsp) ; StoreLoad Barrier

什么是内存屏障（Memory Barrier）？

内存屏障（memory barrier）是一个CPU指令。基本上，它是这样一条指令： a) 确保一些特定操做执行的顺序； b) 影响一些数据的可见性(多是某些指令执行后的结果)。编译器和CPU能够在保证输出结果同样的状况下对指令重排序，使性能获得优化。插入一个内存屏障，至关于告诉CPU和编译器先于这个命令的必须先执行，后于这个命令的必须后执行。内存屏障另外一个做用是强制更新一次不一样CPU的缓存。例如，一个写屏障会把这个屏障前写入的数据刷新到缓存，这样任何试图读取该数据的线程将获得最新值，而不用考虑究竟是被哪一个cpu核心或者哪颗CPU执行的。jvm

内存屏障（memory barrier）和volatile什么关系？上面的虚拟机指令里面有提到，若是你的字段是volatile，Java内存模型将在写操做后插入一个写屏障指令，在读操做前插入一个读屏障指令。这意味着若是你对一个volatile字段进行写操做，你必须知道：一、一旦你完成写入，任何访问这个字段的线程将会获得最新的值。二、在你写入前，会保证全部以前发生的事已经发生，而且任何更新过的数据值也是可见的，由于内存屏障会把以前的写入值都刷新到缓存。ide

volatile为何没有原子性?性能

明白了内存屏障（memory barrier）这个CPU指令，回到前面的JVM指令：从Load到store到内存屏障，一共4步，其中最后一步jvm让这个最新的变量的值在全部线程可见，也就是最后一步让全部的CPU内核都得到了最新的值，但中间的几步（从Load到Store）是不安全的，中间若是其余的CPU修改了值将会丢失。下面的测试代码能够实际测试voaltile的自增没有原子性：测试

volatile可否保证可见性？（能够）

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）。这是由于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。

　　若是使用volatile修饰，第一，会强制将修改的值当即写入主存；第二，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。

volatile可否保证原子性？（不能够）

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);
    }
}

　　程序的运行结果是一个小于10000的数字。volatile的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，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（由于线程1并无再次读取Iinc的值，而可见性只能保证每次读取的是最新的值），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。

把上面的代码改为如下任何一种均可以达到效果：

采用synchronized：

public class Test {
    public  int inc = 0;
    public synchronized 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);
    }
}

采用Lock：

public class Test {
    public  int inc = 0;
    Lock lock = new ReentrantLock();
    public  void increase() {
        lock.lock();
        try {
            inc++;
        } finally{
            lock.unlock();
        }
    }
    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);
    }
}

采用AtomicInteger：

public class Test {
    public  AtomicInteger inc = new AtomicInteger();
    public  void increase() {
        inc.getAndIncrement();
    }
    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);
    }
}

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。

volatile可否保证有序性？（能够）

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变量访问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。

使用volatile关键字的场景

volatile关键字在某些状况下性能要优于synchronized，可是要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，不要将volatile用在getAndOperate场合（这种场不是原子，须要再加锁），仅仅set或者get的场景是适合volatile的。

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;
while(!flag){
    doSomething();
}
public void setFlag() {
    flag = true;
}

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

2.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;
    }
}

参考地址：http://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3920373.html