Java并发-volatile的原理及用法

 

volatile属性：可见性、保证有序性、不保证原子性。
一、volatile可见性
　　在Java的内存中所有的变量都存在主内存中，每个线程有单独CPU缓存内存，多个线程对同一个变量读取时，会从主内存中把变量拷贝到自己的CPU缓存中，线程之间也无法直接访问对方CPU缓存内存中的变量，只能通过主内存传递变量的值；
　　举个例子、例一；



1 int i=0;
2 //线程一中执行
3 i=1;
4 //线程二中执行
5 int j=0;
6 j=i;



　　上面这个程序在线程一中，读取内存变量i的值到线程一的CPU缓存中，线程一的CPU缓存中并将i的值设为1，这时还没来的及将i的值从线程一的CPU缓存中写入到主内存中时，此时线程二从主内存中读取到i的值到线程二的CPU缓存中，此时i还是0,线程二并没有及时得到线程一修改的值，这就是不可见性;
　　如果把上面程序的int i=0换成volatile int i=0，就可以保证线程二可以立刻可见线程一修改i后的值，因为JVM 保证了每次读变量都从内存中读，相当于跳过 CPU cache 这一步，让线程一直接修改主内存中i的值；
　　但是如果将i换成volatile int i，将i=1换成i++，线程二对线程一的改变i后的值仍是不可见的，原因就是下面要说的原子性；
二、volatile不可保证原子性
　　原子性就是指操作不可分割，比如i=1这个就不可分割，i++就包含三个操作：读取i的值，进行加1操作，写入新的值,这就可分割不是原子操作。如果将i换成volatile int i，将i=1换成i++，当线程一执行到对i加1操作时，还没有来得及写入新值时，线程二执行j=i,线程获取的i值任然为0；可以通过synchronized和Lock来实现更大范围操作的原子性。
三、volatile保证有序性
有序性，及程序按照编写的顺序先后执行。
　　举个例子、例二：



1 int i=0;//1
2 int j=1;//2
3 i++;//3
4 j++;//4



　　上面这个程序按照正常逻辑执行顺序应该是1>2>3>4;但是在JVM中并一定不会按照这个顺序执行，因为处理器为了提高运行效率，在JVM中的及时编译存在指令重排序的优化，它会改变各个语句的执行顺序，但是不改变运行结果，就是改变后的顺序运行结果和改变前的结果一样，就行如果按照1>3>2>4,虽然改变顺序，但并不影响结果；
如果把程序改变成这个样子、例三：



1 int i=0;//1
2 int j=1;//2
3 i++;//3
4 j=i+1;//4



　　上面这个程序执行顺序一定是1、2在3前面，3一定会在4前面，1和2顺序可变，因为处理器在进行重排序时是会考虑指令之间的数据依赖性，如果一个指令指令2必须用到指令1的结果，那么处理器会保证指令1会在指令2之前执行。
重排序虽然对单线程没影响但是对多线程就会产生影响，使结果不一样；
举个例子、例四：



1 User user;//1
2 boolean flag=flase;//2
3 //线程一
4 user=new User();//3
5 flag=true;//4
6 //线程二
7 if(flag){
8 user.name="张振力";//5
9 }



　　上面这个程序的意思就是，如果在线程一user完成初始化，就把flag设置为true，在线程二中如果flag为true，就初始化user.name的值；但是在实际中因为3和4并没有依赖，会被重排序，语句4先执行，语句3还没执行，在线程二中得到user值就会为空，这时候给name赋值就会报错。
　　通过定义volatile就可以保证语句3一定在语句4前执行，就是因为volatile定义的变量在赋值时，在其上面的程序是一定完成过的，在其后的程序一定是没完成的，而且其前完成的操作对其后的是可见的；举个例子、例五：



1 volatile boolean flag =false;
2 int i,j,x,y;
3 i=10;//1
4 j=10;//2
5 flag=true;//3
6 x=10;//4
7 y=10;//5



　　上面的例子执行的顺序就是在3之前1和2语句已经执行完（不保证1、2的顺序），但4和5语句（不保证4、5的顺序）肯定还没执行；
　　再返回例四里面看，如果flag定义为volatile，那肯定能保证语句3一定在语句4前执行，如果flag为true，那user肯定完成了初始化,就不会报错。



1 User user;//1
2 volatile boolean flag=flase;//2
3 //线程一
4 user=new User();//3
5 flag=true;//4
6 //线程二
7 if(flag){
8 user.name="张振力";//5
9 }



四、volatile实现可见性和有序性的原理： 

1.可见性

　　如果对声明了volatile变量进行写操作时，JVM会向处理器发送一条Lock前缀的指令，将这个变量所在缓存行的数据写会到系统内存。 这一步确保了如果有其他线程对声明了volatile变量进行修改，则立即更新主内存中数据。

2.有序性

　　但这时候其他处理器的缓存还是旧的，所以在多处理器环境下，为了保证各个处理器缓存一致，每个处理会通过嗅探在总线上传播的数据来检查 自己的缓存是否过期，当处理器发现自己缓存行对应的内存地址被修改了，就会将当前处理器的缓存行设置成无效状态，当处理器要对这个数据进行修改操作时，会强制重新从系统内存把数据读到处理器缓存里。 这一步确保了其他线程获得的声明了volatile变量都是从主内存中获取最新的。

　　在这里就讲这一个使用场景：状态标记，后续会再写另一个使用场景，单例模式下的volatile确保单例对象的返回的正确性。