小編帶您Volatile的詳解
阿新 • • 發佈：2018-08-28
jvm內存 引入 star specific jvm lse 指令 ply 假設 volatile關鍵字修飾的共享變量主要有兩個特點：1.保證了不同線程訪問的內存可見性 2.禁止重排序
在說內存可見性和有序性之前，我們有必要看一下Java的內存模型(註意和JVM內存模型的區分)
為什麽要有java內存模型？
首先我們知道內存訪問和CPU指令在執行速度上相差非常大，完全不是一個數量級，為了使得java在各個平臺上運行的差距減少，哪些搞處理器的大佬就在CPU上加了各種高速緩存，來減少內存操作和CPU指令的執行速度差距。而Java在java層面又進行了一波抽象，java內存模型將內存分為工作內存和主存，每個線程從主存load數據到工作內存，將load的數據賦值給工作內存上的變量，然後該工作內存對應的線程進行處理，處理結果在賦值給其工作內存，然後再將數據賦值給主存中的變量(這時候需要有一張圖)。
小編帶您Volatile的詳解
使用工作內存和主存雖然加快了處理速度，但是也帶來了一些問題，比如下面這個例子
1 int i = 1;
2 i = i+1;
當在單線程情況下，i最後的值一定是2；但是在兩個線程情況下一定是3嗎？那就未必了。當線程A讀取i的值為1，load到其工作內存，這時CPU切換至線程B，線程B讀取i的值也是1，然後對加1然後save到主存，這時線程A也對i進行加1，也save回主存，但最終i的值為2。如果寫操作比較慢，你讀到的值還有可能是1，這就是緩存不一致的問題。JMM就是圍繞著原子性，內存可見性，有序性這三個特征建立的。通過解決這個三個特征來解決緩存不一致的問題。而volatile主要針對於內存可見性和有序性。
原子性是指一個操作要麽成功，那麽失敗，沒有中間狀態，比如i=1，直接讀取i的值，這肯定是原子操作；但是i++，看似好像是，其實需要先讀取i的值，然後+1，最後在賦值給i，需要三個步驟，這就不是原子性操作。在JDK1.5引入了boolean、long、int對應的原子性類AtomicBoolean、AtomicLong、AtomicInteger，他們可以提供原子性操作。
內存可見性
具有內存可見性的變量在被線程修改以後，會立刻刷新到主存並使其他線程的緩存行上的數據失效。
volatile修飾的變量具有內存可見性，主要表現為：當寫一個volatile變量時，JMM會將該線程對應的工作內存中的共享變量立即刷新到主存；當讀一個volatile變量時，JMM會把該線程對應的工作內存中的值置為無效，然後從主存中進行讀取，但是如果沒有線程對該共享變量進行修改，則不會觸發該操作。
JMM是允許處理器和編譯器對指令進行重排序的，但規定了as-if-serial，即無論怎麽重排序，最終結果都是一樣的。比如下面這段代碼：
1 int weight = 10; //A
2 int high = 5; //B
3 int area = high weight high; //C
這段代碼中可以按照A-->B-->C執行，也可以按照B-->A-->C執行，因為A和B是相互獨立的，而C依賴於A、B，所以C不能排到A或B的前面。JMM保證了單線程的重排序，但是在多線程中就容易出現問題。比如下面這種情況
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1 boolean flag = false;
2 int a = 0;
4 public void write(){
5 int a = 2; //1
6 flag = true; //2
7 }
8 public void multiply(){
9 if(flag){ //3
10 int ret = a * a ; //4
11 }
12 }
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如果有兩個線程執行上面的代碼，線程1先執行write方法，隨後線程2執行multiply方法。最後結果一定是4嗎，不一定。
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如圖，JMM對1和2進行了重排序，先將flag設置為true，這是線程2執行，由於a還沒有賦值，所以最後ret的值為0；
如果使用volatile關鍵字修飾flag，禁止重排序，可以保證程序的有序性，也可以使用synchronized或者lock這種重量級鎖來保證有序性，但性能會下降。
另外，JMM具備一些先天的有序性,即不需要通過任何手段就可以保證的有序性，通常稱為happens-before原則。<<JSR-133：Java Memory Model and Thread Specification>>定義了如下happens-before規則：
第1條規則程序順序規則是說在一個線程裏，所有的操作都是按順序的，但是在JMM裏其實只要執行結果一樣，是允許重排序的，這邊的happens-before強調的重點也是單線程執行結果的正確性，但是無法保證多線程也是如此。
第2條規則監視器規則其實也好理解，就是在加鎖之前，確定這個鎖之前已經被釋放了，才能繼續加鎖。
第3條規則，就適用到所討論的volatile，如果一個線程先去寫一個變量，另外一個線程再去讀，那麽寫入操作一定在讀操作之前。
第4條規則，就是happens-before的傳遞性。
需要註意的是，被volatile修飾的共享變量只滿足內存可見性和禁止重排序，並不能保證原子性。比如volatile i++。
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1 public class Test {
2 public volatile int inc = 0;
4 public void increase() {
5 inc++;
6 }
8 public static void main(String[] args) {
9 final Test test = new Test();
10 for(int i=0;i<10;i++){
11 new Thread(){
12 public void run() {
13 for(int j=0;j<1000;j++)
14 test.increase();
15 };
16 }.start();
17 }
18
19 while(Thread.activeCount()>1) //保證前面的線程都執行完
20 Thread.yield();
21 System.out.println(test.inc);
22 }
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按道理來說結果是10000，但是運行下很可能是個小於10000的值。有人可能會說volatile不是保證了可見性啊，一個線程對inc的修改，另外一個線程應該立刻看到啊！可是這裏的操作inc++是個復合操作啊，包括讀取inc的值，對其自增，然後再寫回主存。
假設線程A，讀取了inc的值為10，這時候被阻塞了，因為沒有對變量進行修改，觸發不了volatile規則。
線程B此時也讀讀inc的值，主存裏inc的值依舊為10，做自增，然後立刻就被寫回主存了，為11。
此時又輪到線程A執行，由於工作內存裏保存的是10，所以繼續做自增，再寫回主存，11又被寫了一遍。所以雖然兩個線程執行了兩次increase()，結果卻只加了一次。
有人說，volatile不是會使緩存行無效的嗎？但是這裏線程A讀取到線程B也進行操作之前，並沒有修改inc值，所以線程B讀取的時候，還是讀的10。
又有人說，線程B將11寫回主存，不會把線程A的緩存行設為無效嗎？但是線程A的讀取操作已經做過了啊，只有在做讀取操作時，發現自己緩存行無效，才會去讀主存的值，所以這裏線程A只能繼續做自增了。
綜上所述，在這種復合操作的情景下，原子性的功能是維持不了了。但是volatile在上面那種設置flag值的例子裏，由於對flag的讀/寫操作都是單步的，所以還是能保證原子性的。
要想保證原子性，只能借助於synchronized,Lock以及並發包下的atomic的原子操作類了，即對基本數據類型的 自增（加1操作），自減（減1操作）、以及加法操作（加一個數），減法操作（減一個數）進行了封裝，保證這些操作是原子性操作。
volatile底層原理
如果將使用volatile修飾的代碼和未使用volatile修飾的代碼都編譯成匯編語言，會發現，使用volatile修飾的代碼會多出一個lock前綴指令。
lock前綴指令相當於一個內存屏障，內存屏障的作用有以下三點：
①重排序時，不能把內存屏障後面的指令排序到內存屏障前
②使得本CPU的cache寫入內存
③寫入動作會引起其他CPU緩存或內核的數據無效，相當於修改對其他線程可見。
volatile的應用場景
因為volatile對復合操作無效，所以volatile修飾像上面例子中的flag這樣的只會發生讀/寫的標記型字段。
在單利模式中，volatile還可以修飾成員變量，防止初始化時的指令重排序。
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1 class Singleton{
2 private volatile static Singleton instance= null;
4 private Singleton(){
6 }
8 public static Singleton getInstance(){
9 if(instance==null){
10 synchronized(Singleton.class){
11 if(instance==null){
12 instance = new Singleton();
13 }
14 }
15 }
16 return instance;
17 }
18 } 小編每天會定期更新論文及視頻，希望大家多多關註與支持 每天晚上20：00會在騰訊課堂上分享免費往期幹貨QQ:561487941
在說內存可見性和有序性之前，我們有必要看一下Java的內存模型(註意和JVM內存模型的區分)
為什麽要有java內存模型？
首先我們知道內存訪問和CPU指令在執行速度上相差非常大，完全不是一個數量級，為了使得java在各個平臺上運行的差距減少，哪些搞處理器的大佬就在CPU上加了各種高速緩存，來減少內存操作和CPU指令的執行速度差距。而Java在java層面又進行了一波抽象，java內存模型將內存分為工作內存和主存，每個線程從主存load數據到工作內存，將load的數據賦值給工作內存上的變量，然後該工作內存對應的線程進行處理，處理結果在賦值給其工作內存，然後再將數據賦值給主存中的變量(這時候需要有一張圖)。
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使用工作內存和主存雖然加快了處理速度，但是也帶來了一些問題，比如下面這個例子
1 int i = 1;
2 i = i+1;
當在單線程情況下，i最後的值一定是2；但是在兩個線程情況下一定是3嗎？那就未必了。當線程A讀取i的值為1，load到其工作內存，這時CPU切換至線程B，線程B讀取i的值也是1，然後對加1然後save到主存，這時線程A也對i進行加1，也save回主存，但最終i的值為2。如果寫操作比較慢，你讀到的值還有可能是1，這就是緩存不一致的問題。JMM就是圍繞著原子性，內存可見性，有序性這三個特征建立的。通過解決這個三個特征來解決緩存不一致的問題。而volatile主要針對於內存可見性和有序性。
原子性是指一個操作要麽成功，那麽失敗，沒有中間狀態，比如i=1，直接讀取i的值，這肯定是原子操作；但是i++，看似好像是，其實需要先讀取i的值，然後+1，最後在賦值給i，需要三個步驟，這就不是原子性操作。在JDK1.5引入了boolean、long、int對應的原子性類AtomicBoolean、AtomicLong、AtomicInteger，他們可以提供原子性操作。
內存可見性
具有內存可見性的變量在被線程修改以後，會立刻刷新到主存並使其他線程的緩存行上的數據失效。
volatile修飾的變量具有內存可見性，主要表現為：當寫一個volatile變量時，JMM會將該線程對應的工作內存中的共享變量立即刷新到主存；當讀一個volatile變量時，JMM會把該線程對應的工作內存中的值置為無效，然後從主存中進行讀取，但是如果沒有線程對該共享變量進行修改，則不會觸發該操作。
JMM是允許處理器和編譯器對指令進行重排序的，但規定了as-if-serial，即無論怎麽重排序，最終結果都是一樣的。比如下面這段代碼：
1 int weight = 10; //A
2 int high = 5; //B
3 int area = high weight high; //C
這段代碼中可以按照A-->B-->C執行，也可以按照B-->A-->C執行，因為A和B是相互獨立的，而C依賴於A、B，所以C不能排到A或B的前面。JMM保證了單線程的重排序，但是在多線程中就容易出現問題。比如下面這種情況
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1 boolean flag = false;
2 int a = 0;
4 public void write(){
5 int a = 2; //1
6 flag = true; //2
7 }
8 public void multiply(){
9 if(flag){ //3
10 int ret = a * a ; //4
11 }
12 }
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如果有兩個線程執行上面的代碼，線程1先執行write方法，隨後線程2執行multiply方法。最後結果一定是4嗎，不一定。
小編帶您Volatile的詳解
小編帶您Volatile的詳解
如圖，JMM對1和2進行了重排序，先將flag設置為true，這是線程2執行，由於a還沒有賦值，所以最後ret的值為0；
如果使用volatile關鍵字修飾flag，禁止重排序，可以保證程序的有序性，也可以使用synchronized或者lock這種重量級鎖來保證有序性，但性能會下降。
另外，JMM具備一些先天的有序性,即不需要通過任何手段就可以保證的有序性，通常稱為happens-before原則。<<JSR-133：Java Memory Model and Thread Specification>>定義了如下happens-before規則：
第1條規則程序順序規則是說在一個線程裏，所有的操作都是按順序的，但是在JMM裏其實只要執行結果一樣，是允許重排序的，這邊的happens-before強調的重點也是單線程執行結果的正確性，但是無法保證多線程也是如此。
第2條規則監視器規則其實也好理解，就是在加鎖之前，確定這個鎖之前已經被釋放了，才能繼續加鎖。
第3條規則，就適用到所討論的volatile，如果一個線程先去寫一個變量，另外一個線程再去讀，那麽寫入操作一定在讀操作之前。
第4條規則，就是happens-before的傳遞性。
需要註意的是，被volatile修飾的共享變量只滿足內存可見性和禁止重排序，並不能保證原子性。比如volatile i++。
小編帶您Volatile的詳解
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1 public class Test {
2 public volatile int inc = 0;
4 public void increase() {
5 inc++;
6 }
8 public static void main(String[] args) {
9 final Test test = new Test();
10 for(int i=0;i<10;i++){
11 new Thread(){
12 public void run() {
13 for(int j=0;j<1000;j++)
14 test.increase();
15 };
16 }.start();
17 }
18
19 while(Thread.activeCount()>1) //保證前面的線程都執行完
20 Thread.yield();
21 System.out.println(test.inc);
22 }
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小編帶您Volatile的詳解
按道理來說結果是10000，但是運行下很可能是個小於10000的值。有人可能會說volatile不是保證了可見性啊，一個線程對inc的修改，另外一個線程應該立刻看到啊！可是這裏的操作inc++是個復合操作啊，包括讀取inc的值，對其自增，然後再寫回主存。
假設線程A，讀取了inc的值為10，這時候被阻塞了，因為沒有對變量進行修改，觸發不了volatile規則。
線程B此時也讀讀inc的值，主存裏inc的值依舊為10，做自增，然後立刻就被寫回主存了，為11。
此時又輪到線程A執行，由於工作內存裏保存的是10，所以繼續做自增，再寫回主存，11又被寫了一遍。所以雖然兩個線程執行了兩次increase()，結果卻只加了一次。
有人說，volatile不是會使緩存行無效的嗎？但是這裏線程A讀取到線程B也進行操作之前，並沒有修改inc值，所以線程B讀取的時候，還是讀的10。
又有人說，線程B將11寫回主存，不會把線程A的緩存行設為無效嗎？但是線程A的讀取操作已經做過了啊，只有在做讀取操作時，發現自己緩存行無效，才會去讀主存的值，所以這裏線程A只能繼續做自增了。
綜上所述，在這種復合操作的情景下，原子性的功能是維持不了了。但是volatile在上面那種設置flag值的例子裏，由於對flag的讀/寫操作都是單步的，所以還是能保證原子性的。
要想保證原子性，只能借助於synchronized,Lock以及並發包下的atomic的原子操作類了，即對基本數據類型的 自增（加1操作），自減（減1操作）、以及加法操作（加一個數），減法操作（減一個數）進行了封裝，保證這些操作是原子性操作。
volatile底層原理
如果將使用volatile修飾的代碼和未使用volatile修飾的代碼都編譯成匯編語言，會發現，使用volatile修飾的代碼會多出一個lock前綴指令。
lock前綴指令相當於一個內存屏障，內存屏障的作用有以下三點：
①重排序時，不能把內存屏障後面的指令排序到內存屏障前
②使得本CPU的cache寫入內存
③寫入動作會引起其他CPU緩存或內核的數據無效，相當於修改對其他線程可見。
volatile的應用場景
因為volatile對復合操作無效，所以volatile修飾像上面例子中的flag這樣的只會發生讀/寫的標記型字段。
在單利模式中，volatile還可以修飾成員變量，防止初始化時的指令重排序。
小編帶您Volatile的詳解
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1 class Singleton{
2 private volatile static Singleton instance= null;
4 private Singleton(){
6 }
8 public static Singleton getInstance(){
9 if(instance==null){
10 synchronized(Singleton.class){
11 if(instance==null){
12 instance = new Singleton();
13 }
14 }
15 }
16 return instance;
17 }
18 } 小編每天會定期更新論文及視頻，希望大家多多關註與支持 每天晚上20：00會在騰訊課堂上分享免費往期幹貨QQ:561487941
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