基本概念

--------------------------------------------------------------------------------

先補(bǔ)充一下概念：Java 內(nèi)存模型中的可見(jiàn)性、原子性和有序性。

可見(jiàn)性：

　　可見(jiàn)性是一種復(fù)雜的屬性，因?yàn)榭梢?jiàn)性中的錯(cuò)誤總是會(huì)違背我們的直覺(jué)。通常，我們無(wú)法確保執(zhí)行讀操作的線(xiàn)程能適時(shí)地看到其他線(xiàn)程寫(xiě)入的值，有時(shí)甚至是根本不可能的事情。為了確保多個(gè)線(xiàn)程之間對(duì)內(nèi)存寫(xiě)入操作的可見(jiàn)性，必須使用同步機(jī)制。

　　可見(jiàn)性，是指線(xiàn)程之間的可見(jiàn)性，一個(gè)線(xiàn)程修改的狀態(tài)對(duì)另一個(gè)線(xiàn)程是可見(jiàn)的。也就是一個(gè)線(xiàn)程修改的結(jié)果。另一個(gè)線(xiàn)程馬上就能看到。比如：用volatile修飾的變量，就會(huì)具有可見(jiàn)性。volatile修飾的變量不允許線(xiàn)程內(nèi)部緩存和重排序，即直接修改內(nèi)存。所以對(duì)其他線(xiàn)程是可見(jiàn)的。但是這里需要注意一個(gè)問(wèn)題，volatile只能讓被他修飾內(nèi)容具有可見(jiàn)性，但不能保證它具有原子性。比如 volatile int a = 0；之后有一個(gè)操作 a++；這個(gè)變量a具有可見(jiàn)性，但是a++ 依然是一個(gè)非原子操作，也就是這個(gè)操作同樣存在線(xiàn)程安全問(wèn)題。

　　在 Java 中 volatile、synchronized 和 final 實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)性。

原子性：

　　原子是世界上的最小單位，具有不可分割性。比如 a=0；（a非long和double類(lèi)型） 這個(gè)操作是不可分割的，那么我們說(shuō)這個(gè)操作時(shí)原子操作。再比如：a++； 這個(gè)操作實(shí)際是a = a + 1；是可分割的，所以他不是一個(gè)原子操作。非原子操作都會(huì)存在線(xiàn)程安全問(wèn)題，需要我們使用同步技術(shù)（sychronized）來(lái)讓它變成一個(gè)原子操作。一個(gè)操作是原子操作，那么我們稱(chēng)它具有原子性。java的concurrent包下提供了一些原子類(lèi)，我們可以通過(guò)閱讀API來(lái)了解這些原子類(lèi)的用法。比如：AtomicInteger、AtomicLong、AtomicReference等。

　　在 Java 中 synchronized 和在 lock、unlock 中操作保證原子性。

有序性：

　　Java 語(yǔ)言提供了 volatile 和 synchronized 兩個(gè)關(guān)鍵字來(lái)保證線(xiàn)程之間操作的有序性，volatile 是因?yàn)槠浔旧戆敖怪噶钪嘏判颉钡恼Z(yǔ)義，synchronized 是由“一個(gè)變量在同一個(gè)時(shí)刻只允許一條線(xiàn)程對(duì)其進(jìn)行 lock 操作”這條規(guī)則獲得的，此規(guī)則決定了持有同一個(gè)對(duì)象鎖的兩個(gè)同步塊只能串行執(zhí)行。

正題

在再有人問(wèn)你Java內(nèi)存模型是什么，就把這篇文章發(fā)給他中我們?cè)?jīng)介紹過(guò)，Java語(yǔ)言為了解決并發(fā)編程中存在的原子性、可見(jiàn)性和有序性問(wèn)題，提供了一系列和并發(fā)處理相關(guān)的關(guān)鍵字，比如synchronized、volatile、final、concurren包等。在前一篇文章中，我們也介紹了synchronized的用法及原理。本文，來(lái)分析一下另外一個(gè)關(guān)鍵字——volatile。

本文就圍繞volatile展開(kāi)，主要介紹volatile的用法、volatile的原理，以及volatile是如何提供可見(jiàn)性和有序性保障的等。

volatile這個(gè)關(guān)鍵字，不僅僅在Java語(yǔ)言中有，在很多語(yǔ)言中都有的，而且其用法和語(yǔ)義也都是不盡相同的。尤其在C語(yǔ)言、C++以及Java中，都有volatile關(guān)鍵字。都可以用來(lái)聲明變量或者對(duì)象。下面簡(jiǎn)單來(lái)介紹一下Java語(yǔ)言中的volatile關(guān)鍵字。

volatile的用法

volatile通常被比喻成"輕量級(jí)的synchronized"，也是Java并發(fā)編程中比較重要的一個(gè)關(guān)鍵字。和synchronized不同，volatile是一個(gè)變量修飾符，只能用來(lái)修飾變量。無(wú)法修飾方法及代碼塊等。

volatile的用法比較簡(jiǎn)單，只需要在聲明一個(gè)可能被多線(xiàn)程同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)的變量時(shí)，使用volatile修飾就可以了。

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

如以上代碼，是一個(gè)比較典型的使用雙重鎖校驗(yàn)的形式實(shí)現(xiàn)單例的，其中使用volatile關(guān)鍵字修飾可能被多個(gè)線(xiàn)程同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)到的singleton。

volatile的原理

在再有人問(wèn)你Java內(nèi)存模型是什么，就把這篇文章發(fā)給他中我們?cè)?jīng)介紹過(guò)，為了提高處理器的執(zhí)行速度，在處理器和內(nèi)存之間增加了多級(jí)緩存來(lái)提升。但是由于引入了多級(jí)緩存，就存在緩存數(shù)據(jù)不一致問(wèn)題。

但是，對(duì)于volatile變量，當(dāng)對(duì)volatile變量進(jìn)行寫(xiě)操作的時(shí)候，JVM會(huì)向處理器發(fā)送一條lock前綴的指令，將這個(gè)緩存中的變量回寫(xiě)到系統(tǒng)主存中。

但是就算寫(xiě)回到內(nèi)存，如果其他處理器緩存的值還是舊的，再執(zhí)行計(jì)算操作就會(huì)有問(wèn)題，所以在多處理器下，為了保證各個(gè)處理器的緩存是一致的，就會(huì)實(shí)現(xiàn)緩存一致性協(xié)議

緩存一致性協(xié)議：每個(gè)處理器通過(guò)嗅探在總線(xiàn)上傳播的數(shù)據(jù)來(lái)檢查自己緩存的值是不是過(guò)期了，當(dāng)處理器發(fā)現(xiàn)自己緩存行對(duì)應(yīng)的內(nèi)存地址被修改，就會(huì)將當(dāng)前處理器的緩存行設(shè)置成無(wú)效狀態(tài)，當(dāng)處理器要對(duì)這個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改操作的時(shí)候，會(huì)強(qiáng)制重新從系統(tǒng)內(nèi)存里把數(shù)據(jù)讀到處理器緩存里。

所以，如果一個(gè)變量被volatile所修飾的話(huà)，在每次數(shù)據(jù)變化之后，其值都會(huì)被強(qiáng)制刷入主存。而其他處理器的緩存由于遵守了緩存一致性協(xié)議，也會(huì)把這個(gè)變量的值從主存加載到自己的緩存中。這就保證了一個(gè)volatile在并發(fā)編程中，其值在多個(gè)緩存中是可見(jiàn)的。

volatile與可見(jiàn)性

可見(jiàn)性是指當(dāng)多個(gè)線(xiàn)程訪(fǎng)問(wèn)同一個(gè)變量時(shí)，一個(gè)線(xiàn)程修改了這個(gè)變量的值，其他線(xiàn)程能夠立即看得到修改的值。

我們?cè)谠儆腥藛?wèn)你Java內(nèi)存模型是什么，就把這篇文章發(fā)給他中分析過(guò)：Java內(nèi)存模型規(guī)定了所有的變量都存儲(chǔ)在主內(nèi)存中，每條線(xiàn)程還有自己的工作內(nèi)存，線(xiàn)程的工作內(nèi)存中保存了該線(xiàn)程中是用到的變量的主內(nèi)存副本拷貝，線(xiàn)程對(duì)變量的所有操作都必須在工作內(nèi)存中進(jìn)行，而不能直接讀寫(xiě)主內(nèi)存。不同的線(xiàn)程之間也無(wú)法直接訪(fǎng)問(wèn)對(duì)方工作內(nèi)存中的變量，線(xiàn)程間變量的傳遞均需要自己的工作內(nèi)存和主存之間進(jìn)行數(shù)據(jù)同步進(jìn)行。所以，就可能出現(xiàn)線(xiàn)程1改了某個(gè)變量的值，但是線(xiàn)程2不可見(jiàn)的情況。

前面的關(guān)于volatile的原理中介紹過(guò)了，Java中的volatile關(guān)鍵字提供了一個(gè)功能，那就是被其修飾的變量在被修改后可以立即同步到主內(nèi)存，被其修飾的變量在每次是用之前都從主內(nèi)存刷新。因此，可以使用volatile來(lái)保證多線(xiàn)程操作時(shí)變量的可見(jiàn)性。

volatile與有序性

有序性即程序執(zhí)行的順序按照代碼的先后順序執(zhí)行。

我們?cè)谠儆腥藛?wèn)你Java內(nèi)存模型是什么，就把這篇文章發(fā)給他中分析過(guò)：除了引入了時(shí)間片以外，由于處理器優(yōu)化和指令重排等，CPU還可能對(duì)輸入代碼進(jìn)行亂序執(zhí)行，比如load->add->save 有可能被優(yōu)化成load->save->add 。這就是可能存在有序性問(wèn)題。

而volatile除了可以保證數(shù)據(jù)的可見(jiàn)性之外，還有一個(gè)強(qiáng)大的功能，那就是他可以禁止指令重排優(yōu)化等。

普通的變量?jī)H僅會(huì)保證在該方法的執(zhí)行過(guò)程中所依賴(lài)的賦值結(jié)果的地方都能獲得正確的結(jié)果，而不能保證變量的賦值操作的順序與程序代碼中的執(zhí)行順序一致。

volatile可以禁止指令重排，這就保證了代碼的程序會(huì)嚴(yán)格按照代碼的先后順序執(zhí)行。這就保證了有序性。被volatile修飾的變量的操作，會(huì)嚴(yán)格按照代碼順序執(zhí)行，load->add->save 的執(zhí)行順序就是：load、add、save。

volatile與原子性

原子性是指一個(gè)操作是不可中斷的，要全部執(zhí)行完成，要不就都不執(zhí)行。

我們?cè)贘ava的并發(fā)編程中的多線(xiàn)程問(wèn)題到底是怎么回事兒？中分析過(guò)：線(xiàn)程是CPU調(diào)度的基本單位。CPU有時(shí)間片的概念，會(huì)根據(jù)不同的調(diào)度算法進(jìn)行線(xiàn)程調(diào)度。當(dāng)一個(gè)線(xiàn)程獲得時(shí)間片之后開(kāi)始執(zhí)行，在時(shí)間片耗盡之后，就會(huì)失去CPU使用權(quán)。所以在多線(xiàn)程場(chǎng)景下，由于時(shí)間片在線(xiàn)程間輪換，就會(huì)發(fā)生原子性問(wèn)題。

在上一篇文章中，我們介紹synchronized的時(shí)候，提到過(guò)，為了保證原子性，需要通過(guò)字節(jié)碼指令monitorenter和monitorexit，但是volatile和這兩個(gè)指令之間是沒(méi)有任何關(guān)系的。

所以，volatile是不能保證原子性的。

在以下兩個(gè)場(chǎng)景中可以使用volatile來(lái)代替synchronized：

1、運(yùn)算結(jié)果并不依賴(lài)變量的當(dāng)前值，或者能夠確保只有單一的線(xiàn)程會(huì)修改變量的值。

2、變量不需要與其他狀態(tài)變量共同參與不變約束。

除以上場(chǎng)景外，都需要使用其他方式來(lái)保證原子性，如synchronized或者concurrent包。

我們來(lái)看一下volatile和原子性的例子：

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(xiàn)程都執(zhí)行完
      Thread.yield();
    System.out.println(test.inc);
  }
}

以上代碼比較簡(jiǎn)單，就是創(chuàng)建10個(gè)線(xiàn)程，然后分別執(zhí)行1000次i++操作。正常情況下，程序的輸出結(jié)果應(yīng)該是10000，但是，多次執(zhí)行的結(jié)果都小于10000。這其實(shí)就是volatile無(wú)法滿(mǎn)足原子性的原因。

為什么會(huì)出現(xiàn)這種情況呢，那就是因?yàn)殡m然volatile可以保證inc在多個(gè)線(xiàn)程之間的可見(jiàn)性。但是無(wú)法inc++的原子性。

總結(jié)與思考

我們介紹過(guò)了volatile關(guān)鍵字和synchronized關(guān)鍵字。現(xiàn)在我們知道，synchronized可以保證原子性、有序性和可見(jiàn)性。而volatile卻只能保證有序性和可見(jiàn)性。

那么，我們?cè)賮?lái)看一下雙重校驗(yàn)鎖實(shí)現(xiàn)的單例，已經(jīng)使用了synchronized，為什么還需要volatile？

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

總結(jié)

以上所述是小編給大家介紹的Java中的volatile關(guān)鍵字，希望對(duì)大家有所幫助，如果大家有任何疑問(wèn)請(qǐng)給我留言，小編會(huì)及時(shí)回復(fù)大家的。在此也非常感謝大家對(duì)腳本之家網(wǎng)站的支持！

最新評(píng)論