前言

在任何編程語言中，多線程操作同一個數(shù)據(jù)都會帶來數(shù)據(jù)不一致的問題，這是由于在多線程的情況下CPU分配時間片并不是按照線程創(chuàng)建順序去分配的，具有一定的隨機性。

一個任務被首先創(chuàng)建出來，并不意味著這個特定的任務一定會首先執(zhí)行，為了解決并發(fā)狀態(tài)下數(shù)據(jù)不一致的問題，就有了Lock、synchronized、volatile等等一系列的解決方法。

線程對資源的感知

我們現(xiàn)在有一個游戲的充錢系統(tǒng)，這個系統(tǒng)只有兩種功能：充錢、顯示余額。我們希望這個系統(tǒng)的功能是這樣的，如果玩家一旦充錢，賬戶變化立刻會被感知到并輸出出來。假設賬戶里有0元：

public class VolatileTest {
   final static int MAX = 500;    //最多500元作為退出條件
    static int deposit = 0;       //初始余額
    public static void main(String[] args) {
        //顯示賬戶余額線程
        new Thread(() -> {
            int calculate = deposit;
            while (calculate < MAX) {
                if(calculate!=deposit){ //當發(fā)現(xiàn)本地變量和全局變量不一致時輸出
                    System.out.println("當前余額" + deposit);
                    calculate = deposit;
                }
            }
        }).start();
        //充錢線程，每次充錢100元
        new Thread(() -> {
            int calculate = deposit;
            while (calculate < MAX) {
                calculate += 100; //改變金額
                System.out.println("充錢100元，當前總額" + calculate);
                deposit = calculate; //回寫給全局變量
                try {
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }).start();
    }
}

運行程序，拿到下面的結果：

結果發(fā)現(xiàn)，我們的感知線程除了第一次感知到變化外，后續(xù)的充錢都沒有感知到。但是線程一直再運行并沒有停下。

我們接著分析代碼邏輯，充錢線程之所以不再打印了是因為超出了充錢最大限制while (calculate < MAX)，那么理論上來說deposit現(xiàn)在已經(jīng)是500了。

但是在顯示余額的線程上，并沒有感知到deposit被修改，仍然認為while (calculate < MAX)條件依然成立。

在這個顯示線程中calculate==deposit==100，所以顯示線程會一直空轉(zhuǎn)，直到把CPU資源消耗完畢崩潰才能停下來，這顯然是一個非常壞的結果。

如何修改程序呢，其實也非常簡單，只要在初始余額變量上加上volatile關鍵字即可。

static volatile int deposit = 0;       //初始余額，加上關鍵字

重新運行輸出結果，這次不僅程序運行符合預期，而且程序順利執(zhí)行完畢。每次充錢的線程執(zhí)行完畢，查詢余額的線程立刻感知到并且執(zhí)行了相應的邏輯，整個程序邏輯上執(zhí)行順利，結果符合預期。

問題分析

之所以會發(fā)生這樣的問題，其實和目前的Java的內(nèi)存模型有關系。我們知道現(xiàn)在的主機一般都會在CPU和主存之間方置緩存，用來緩沖CPU過快的執(zhí)行速度與主存相對較慢的IO速度。其實Java的線程也有類似的結果，只不過緩存被本地工作空間代替了，類似于下圖。但是要說明一點，我們可以看作每個線程有自己的私有空間(local workspace)和共享空間(main memory) ，實際上Java并沒有在物理內(nèi)存上這樣劃出來一塊，這只是Java執(zhí)行中的一個概念模型。物理上仍然是CPU – Cache – Memory這樣的結構。

在這種結構中，主存中的數(shù)據(jù)每個線程都可以訪問，但是本地工作空間只有本地線程可以訪問。

而本地工作空間中方置的東西就是本地變量和主存資源副本，因此線程并不能直接修改修改主存的數(shù)據(jù)，只能讀取到工作空間中，然后由線程拿到CPU中修改。修改完成后，再從私有工作空間刷新回主存。這樣所有的線程就可以拿到最新的數(shù)據(jù)到自己的工作空間里進行操作，這個邏輯在單線程下自然沒有問題。

但是多線程的時候，就會出現(xiàn)數(shù)據(jù)不一致的問題，比如Thread 0在私有工作空間中做了deposit變量修改，但是還沒有刷新到主存中的時候。

Thread 1就把主存中的deposit變量copy到了自己的工作空間進行操作，那么Thread 1用的就是舊的數(shù)據(jù)，計算的結果也就出現(xiàn)了偏差，后來再經(jīng)過各個線程的互相刷新共享空間的數(shù)據(jù)，偏差就會越來越大。

volatile的原理

根據(jù)我們寫的例子來看，volatile關鍵字加上以后，就可以保證當某個線程對主存中數(shù)據(jù)修改的時候，其他線程能夠感知到這種修改，因此可以基于最新的版本進行后續(xù)的操作。

所以volatile關鍵字應該具有以下用作：

保證數(shù)據(jù)的可見性：

某個線程對共享數(shù)據(jù)的修改，其他數(shù)據(jù)能夠立刻感知到，這點是如何做到的呢？首先要先引入一個知識點：緩存的一致性協(xié)議(MESI)。

這個協(xié)議會使得：

讀操作，CPU讀取cache中的數(shù)據(jù)時，不做任何鎖操作。

寫操作，當CPU將要修改某個共享變量的時候，CPU會發(fā)出信號，通知其他的CPU將該變量在其他中緩存中副本所對應的cache line置為無效，這也就導致了其他CPU的緩存中該變量失效，只能再次從主存中讀取。

有了這個前提知識以后，有些讀者一定想到了：一旦給某個共享變量加上volatile關鍵字以后，當某個線程要修改共享變量的時候，會通知其他線程，來把其他線程的私有空間中的該共享變量的副本的cache line置為無效，使得其他線程再次去主存中讀取最新的值，其對應的硬件原理就是上面所說的MESI協(xié)議。通過這樣的辦法，保證了共享變量在各個線程中的修改可見性，使得所有的線程對共享變量的修改具有感知。但是重新讀取并不能可以保證一定可以讀取到最新的數(shù)據(jù)，因此volatile還必須要有更多的功能。

保證線程的有序性：

程序在編譯階段和指令優(yōu)化階段會對執(zhí)行的指令進行重排序，也就是說我們寫的代碼順序，并不是程序的執(zhí)行順序。這樣做的目的是為了提高CPU的執(zhí)行效率和吞吐量，比如賦值指令的執(zhí)行效率明顯會遠遠高于運算指令，那么在重排序階段就會把賦值指令放在一起，運算指令放在一起，以提高總體的效率。這樣做在單線程狀態(tài)下沒有問題，但是在多線程狀態(tài)下，一個變量的先賦值后運算和先運算后賦值就可能會產(chǎn)生很明顯的區(qū)別。但是對于volatile修飾的變量有這樣一個規(guī)則來保證程序執(zhí)行的順序：

• volatile之前的代碼不能調(diào)整到它的后面。
• volatile之后的代碼不能調(diào)整到它的前面。
• volatile修飾的代碼，不可以調(diào)整順序。

最終是如何實現(xiàn)這個功能的呢？當解析到被volatile修飾的變量的時候，在匯編代碼上該變量會有一個Lock標記，表示該變量被鎖住。也就是說想某一個線程使用共享變量的時候，該變量就會被鎖住。其他線程由于MESI導致必須去主存哪取新數(shù)據(jù)的時候，會因為這里有Lock而阻塞，直到這個線程釋放該共享變量。分析到最后其實volatile依然是由鎖構建的功能，但是這個鎖也是一個輕量級的鎖。

注意：volatile即使具有上述這些作用，但是并不具有原子性。

volatile的應用

說了半天volatile關鍵字的原理，這里列舉幾個常用的場景。

Flag標志：作為控制某個功能或者分支的flag標志使用。

public class VolatileTest implements Runnable{
    private volatile boolean flag=false;
    @Override
    public void run() {
        if (flag){
            //...code
        }else{
            //...code
        }
    }
    public void close(){
        flag=false;
    }
}

雙重檢查鎖定：Double Checked Locking(DCL)，一般用在單例模式上。

public class VolatileTest2 {
    private volatile static VolatileTest2 vt;
    public static VolatileTest2 getInstance(){
        if(Objects.isNull(vt)){
            vt=new VolatileTest2();
        }
        return vt;
    }
}

程序的執(zhí)行順序必須保證：如果有場景中必須要求某些變量在程序的限定位置出現(xiàn)，而且不能隨意變更執(zhí)行順序，那么可以對這些變量加上volatile去保證，這些代碼的執(zhí)行順序是完全按照代碼所寫的順序執(zhí)行的。

volatile與synchronized的區(qū)別

之前的博客已經(jīng)對synchronized做了講解，我們知道synchronized是加鎖用的，那么volatile和synchronized有什么區(qū)別呢？我們用一個表格做個對比。

總結

本文的主要內(nèi)容就在于要理解volatile的緩存的一致性協(xié)議導致的共享變量可見性，以及volatile在解析成為匯編語言的時候?qū)ψ兞考渔i兩塊理論內(nèi)容。

到此volatile關鍵字的基本內(nèi)容告一段落，謝謝大家。

到此這篇關于Java中的volatile實現(xiàn)機制詳細解析的文章就介紹到這了,更多相關volatile實現(xiàn)機制內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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