Java中Volatile關(guān)鍵字

在前面講述了很多東西，其實(shí)都是為講述volatile關(guān)鍵字作鋪墊，那么接下來(lái)我們就進(jìn)入主題。

volatile關(guān)鍵字的兩層語(yǔ)義

一旦一個(gè)共享變量(類(lèi)的成員變量、類(lèi)的靜態(tài)成員變量)被volatile修飾之后，那么就具備了兩層語(yǔ)義：

1、保證了不同線程對(duì)這個(gè)變量進(jìn)行操作時(shí)的可見(jiàn)性，即一個(gè)線程修改了某個(gè)變量的值，這新值對(duì)其他線程來(lái)說(shuō)是立即可見(jiàn)的。

2、禁止進(jìn)行指令重排序。

先看一段代碼，假如線程1先執(zhí)行，線程2后執(zhí)行：

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

這段代碼是很典型的一段代碼，很多人在中斷線程時(shí)可能都會(huì)采用這種標(biāo)記辦法。但是事實(shí)上，這段代碼會(huì)完全運(yùn)行正確么?即一定會(huì)將線程中斷么?不一定，也許在大多數(shù)時(shí)候，這個(gè)代碼能夠把線程中斷，但是也有可能會(huì)導(dǎo)致無(wú)法中斷線程(雖然這個(gè)可能性很小，但是只要一旦發(fā)生這種情況就會(huì)造成死循環(huán)了)。

下面解釋一下這段代碼為何有可能導(dǎo)致無(wú)法中斷線程。在前面已經(jīng)解釋過(guò)，每個(gè)線程在運(yùn)行過(guò)程中都有自己的工作內(nèi)存，那么線程1在運(yùn)行的時(shí)候，會(huì)將stop變量的值拷貝一份放在自己的工作內(nèi)存當(dāng)中。

那么當(dāng)線程2更改了stop變量的值之后，但是還沒(méi)來(lái)得及寫(xiě)入主存當(dāng)中，線程2轉(zhuǎn)去做其他事情了，那么線程1由于不知道線程2對(duì)stop變量的更改，因此還會(huì)一直循環(huán)下去。

但是用volatile修飾之后就變得不一樣了：

第一：使用volatile關(guān)鍵字會(huì)強(qiáng)制將修改的值立即寫(xiě)入主存;

第二：使用volatile關(guān)鍵字的話，當(dāng)線程2進(jìn)行修改時(shí)，會(huì)導(dǎo)致線程1的工作內(nèi)存中緩存變量stop的緩存行無(wú)效(反映到硬件層的話，就是CPU的L1或者L2緩存中對(duì)應(yīng)的緩存行無(wú)效);

第三：由于線程1的工作內(nèi)存中緩存變量stop的緩存行無(wú)效，所以線程1再次讀取變量stop的值時(shí)會(huì)去主存讀取。

那么在線程2修改stop值時(shí)(當(dāng)然這里包括2個(gè)操作，修改線程2工作內(nèi)存中的值，然后將修改后的值寫(xiě)入內(nèi)存)，會(huì)使得線程1的工作內(nèi)存中緩存變量stop的緩存行無(wú)效，然后線程1讀取時(shí)，發(fā)現(xiàn)自己的緩存行無(wú)效，它會(huì)等待緩存行對(duì)應(yīng)的主存地址被更新之后，然后去對(duì)應(yīng)的主存讀取最新的值。

那么線程1讀取到的就是最新的正確的值。

volatile保證原子性嗎?

從上面知道volatile關(guān)鍵字保證了操作的可見(jiàn)性，但是volatile能保證對(duì)變量的操作是原子性嗎?

下面看一個(gè)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)  //保證前面的線程都執(zhí)行完
            Thread.yield();
        System.out.println(test.inc);
    }
}

大家想一下這段程序的輸出結(jié)果是多少?也許有些朋友認(rèn)為是10000。但是事實(shí)上運(yùn)行它會(huì)發(fā)現(xiàn)每次運(yùn)行結(jié)果都不一致，都是一個(gè)小于10000的數(shù)字。

可能有的朋友就會(huì)有疑問(wèn)，不對(duì)啊，上面是對(duì)變量inc進(jìn)行自增操作，由于volatile保證了可見(jiàn)性，那么在每個(gè)線程中對(duì)inc自增完之后，在其他線程中都能看到修改后的值啊，所以有10個(gè)線程分別進(jìn)行了1000次操作，那么最終inc的值應(yīng)該是1000*10=10000。

這里面就有一個(gè)誤區(qū)了，volatile關(guān)鍵字能保證可見(jiàn)性沒(méi)有錯(cuò)，但是上面的程序錯(cuò)在沒(méi)能保證原子性?？梢?jiàn)性只能保證每次讀取的是最新的值，但是volatile沒(méi)辦法保證對(duì)變量的操作的原子性。

在前面已經(jīng)提到過(guò)，自增操作是不具備原子性的，它包括讀取變量的原始值、進(jìn)行加1操作、寫(xiě)入工作內(nèi)存。那么就是說(shuō)自增操作的三個(gè)子操作可能會(huì)分割開(kāi)執(zhí)行，就有可能導(dǎo)致下面這種情況出現(xiàn)：

假如某個(gè)時(shí)刻變量inc的值為10，

線程1對(duì)變量進(jìn)行自增操作，線程1先讀取了變量inc的原始值，然后線程1被阻塞了;

然后線程2對(duì)變量進(jìn)行自增操作，線程2也去讀取變量inc的原始值，由于線程1只是對(duì)變量inc進(jìn)行讀取操作，而沒(méi)有對(duì)變量進(jìn)行修改操作，所以不會(huì)導(dǎo)致線程2的工作內(nèi)存中緩存變量inc的緩存行無(wú)效，所以線程2會(huì)直接去主存讀取inc的值，發(fā)現(xiàn)inc的值時(shí)10，然后進(jìn)行加1操作，并把11寫(xiě)入工作內(nèi)存，最后寫(xiě)入主存。

然后線程1接著進(jìn)行加1操作，由于已經(jīng)讀取了inc的值，注意此時(shí)在線程1的工作內(nèi)存中inc的值仍然為10，所以線程1對(duì)inc進(jìn)行加1操作后inc的值為11，然后將11寫(xiě)入工作內(nèi)存，最后寫(xiě)入主存。

那么兩個(gè)線程分別進(jìn)行了一次自增操作后，inc只增加了1。

解釋到這里，可能有朋友會(huì)有疑問(wèn)，不對(duì)啊，前面不是保證一個(gè)變量在修改volatile變量時(shí)，會(huì)讓緩存行無(wú)效嗎?然后其他線程去讀就會(huì)讀到新的值，對(duì)，這個(gè)沒(méi)錯(cuò)。這個(gè)就是上面的happens-before規(guī)則中的volatile變量規(guī)則，但是要注意，線程1對(duì)變量進(jìn)行讀取操作之后，被阻塞了的話，并沒(méi)有對(duì)inc值進(jìn)行修改。然后雖然volatile能保證線程2對(duì)變量inc的值讀取是從內(nèi)存中讀取的，但是線程1沒(méi)有進(jìn)行修改，所以線程2根本就不會(huì)看到修改的值。

根源就在這里，自增操作不是原子性操作，而且volatile也無(wú)法保證對(duì)變量的任何操作都是原子性的。

把上面的代碼改成以下任何一種都可以達(dá)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)  //保證前面的線程都執(zhí)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)  //保證前面的線程都執(zhí)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)  //保證前面的線程都執(zhí)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作類(lèi)，即對(duì)基本數(shù)據(jù)類(lèi)型的 自增(加1操作)，自減(減1操作)、以及加法操作(加一個(gè)數(shù))，減法操作(減一個(gè)數(shù))進(jìn)行了封裝，保證這些操作是原子性操作。atomic是利用CAS來(lái)實(shí)現(xiàn)原子性操作的(Compare And Swap)，CAS實(shí)際上是利用處理器提供的CMPXCHG指令實(shí)現(xiàn)的，而處理器執(zhí)行CMPXCHG指令是一個(gè)原子性操作。

volatile能保證有序性嗎?

在前面提到volatile關(guān)鍵字能禁止指令重排序，所以volatile能在一定程度上保證有序性。

volatile關(guān)鍵字禁止指令重排序有兩層意思：

1、當(dāng)程序執(zhí)行到volatile變量的讀操作或者寫(xiě)操作時(shí)，在其前面的操作的更改肯定全部已經(jīng)進(jìn)行，且結(jié)果已經(jīng)對(duì)后面的操作可見(jiàn);在其后面的操作肯定還沒(méi)有進(jìn)行;

2、在進(jìn)行指令優(yōu)化時(shí)，不能將在對(duì)volatile變量訪問(wèn)的語(yǔ)句放在其后面執(zhí)行，也不能把volatile變量后面的語(yǔ)句放到其前面執(zhí)行。

可能上面說(shuō)的比較繞，舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子：

//x、y為非volatile變量
//flag為volatile變量
x = 2;        //語(yǔ)句1
y = 0;        //語(yǔ)句2
flag = true;  //語(yǔ)句3
x = 4;         //語(yǔ)句4
y = -1;       //語(yǔ)句5

由于flag變量為volatile變量，那么在進(jìn)行指令重排序的過(guò)程的時(shí)候，不會(huì)將語(yǔ)句3放到語(yǔ)句1、語(yǔ)句2前面，也不會(huì)講語(yǔ)句3放到語(yǔ)句4、語(yǔ)句5后面。但是要注意語(yǔ)句1和語(yǔ)句2的順序、語(yǔ)句4和語(yǔ)句5的順序是不作任何保證的。

并且volatile關(guān)鍵字能保證，執(zhí)行到語(yǔ)句3時(shí)，語(yǔ)句1和語(yǔ)句2必定是執(zhí)行完畢了的，且語(yǔ)句1和語(yǔ)句2的執(zhí)行結(jié)果對(duì)語(yǔ)句3、語(yǔ)句4、語(yǔ)句5是可見(jiàn)的。

那么我們回到前面舉的一個(gè)例子：

//線程1:
context = loadContext();   //語(yǔ)句1
inited = true;             //語(yǔ)句2
//線程2:
while(!inited ){
  sleep()
}
doSomethingwithconfig(context);

前面舉這個(gè)例子的時(shí)候，提到有可能語(yǔ)句2會(huì)在語(yǔ)句1之前執(zhí)行，那么久可能導(dǎo)致context還沒(méi)被初始化，而線程2中就使用未初始化的context去進(jìn)行操作，導(dǎo)致程序出錯(cuò)。

這里如果用volatile關(guān)鍵字對(duì)inited變量進(jìn)行修飾，就不會(huì)出現(xiàn)這種問(wèn)題了，因?yàn)楫?dāng)執(zhí)行到語(yǔ)句2時(shí)，必定能保證context已經(jīng)初始化完畢。

volatile的原理和實(shí)現(xiàn)機(jī)制

前面講述了源于volatile關(guān)鍵字的一些使用，下面我們來(lái)探討一下volatile到底如何保證可見(jiàn)性和禁止指令重排序的。

下面這段話摘自《深入理解Java虛擬機(jī)》：

“觀察加入volatile關(guān)鍵字和沒(méi)有加入volatile關(guān)鍵字時(shí)所生成的匯編代碼發(fā)現(xiàn)，加入volatile關(guān)鍵字時(shí)，會(huì)多出一個(gè)lock前綴指令”

lock前綴指令實(shí)際上相當(dāng)于一個(gè)內(nèi)存屏障(也成內(nèi)存柵欄)，內(nèi)存屏障會(huì)提供3個(gè)功能：

1、它確保指令重排序時(shí)不會(huì)把其后面的指令排到內(nèi)存屏障之前的位置，也不會(huì)把前面的指令排到內(nèi)存屏障的后面;即在執(zhí)行到內(nèi)存屏障這句指令時(shí)，在它前面的操作已經(jīng)全部完成;

2、它會(huì)強(qiáng)制將對(duì)緩存的修改操作立即寫(xiě)入主存;

3、如果是寫(xiě)操作，它會(huì)導(dǎo)致其他CPU中對(duì)應(yīng)的緩存行無(wú)效。