Java中Volatile關鍵字

在前面講述了很多東西，其實都是為講述volatile關鍵字作鋪墊，那么接下來我們就進入主題。

volatile關鍵字的兩層語義

一旦一個共享變量(類的成員變量、類的靜態(tài)成員變量)被volatile修飾之后，那么就具備了兩層語義：

1、保證了不同線程對這個變量進行操作時的可見性，即一個線程修改了某個變量的值，這新值對其他線程來說是立即可見的。

2、禁止進行指令重排序。

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可能都會采用這種標記辦法。但是事實上，這段代碼會完全運行正確么?即一定會將線程中斷么?不一定，也許在大多數(shù)時候，這個代碼能夠把線程中斷，但是也有可能會導致無法中斷線程(雖然這個可能性很小，但是只要一旦發(fā)生這種情況就會造成死循環(huán)了)。

下面解釋一下這段代碼為何有可能導致無法中斷線程。在前面已經解釋過，每個線程在運行過程中都有自己的工作內存，那么線程1在運行的時候，會將stop變量的值拷貝一份放在自己的工作內存當中。

那么當線程2更改了stop變量的值之后，但是還沒來得及寫入主存當中，線程2轉去做其他事情了，那么線程1由于不知道線程2對stop變量的更改，因此還會一直循環(huán)下去。

但是用volatile修飾之后就變得不一樣了：

第一：使用volatile關鍵字會強制將修改的值立即寫入主存;

第二：使用volatile關鍵字的話，當線程2進行修改時，會導致線程1的工作內存中緩存變量stop的緩存行無效(反映到硬件層的話，就是CPU的L1或者L2緩存中對應的緩存行無效);

第三：由于線程1的工作內存中緩存變量stop的緩存行無效，所以線程1再次讀取變量stop的值時會去主存讀取。

那么在線程2修改stop值時(當然這里包括2個操作，修改線程2工作內存中的值，然后將修改后的值寫入內存)，會使得線程1的工作內存中緩存變量stop的緩存行無效，然后線程1讀取時，發(fā)現(xiàn)自己的緩存行無效，它會等待緩存行對應的主存地址被更新之后，然后去對應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關鍵字保證了操作的可見性，但是volatile能保證對變量的操作是原子性嗎?

下面看一個例子：

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果是多少?也許有些朋友認為是10000。但是事實上運行它會發(fā)現(xiàn)每次運行結果都不一致，都是一個小于10000的數(shù)字。

可能有的朋友就會有疑問，不對啊，上面是對變量inc進行自增操作，由于volatile保證了可見性，那么在每個線程中對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個線程分別進行了1000次操作，那么最終inc的值應該是1000*10=10000。

這里面就有一個誤區(qū)了，volatile關鍵字能保證可見性沒有錯，但是上面的程序錯在沒能保證原子性。可見性只能保證每次讀取的是最新的值，但是volatile沒辦法保證對變量的操作的原子性。

在前面已經提到過，自增操作是不具備原子性的，它包括讀取變量的原始值、進行加1操作、寫入工作內存。那么就是說自增操作的三個子操作可能會分割開執(zhí)行，就有可能導致下面這種情況出現(xiàn)：

假如某個時刻變量inc的值為10，

線程1對變量進行自增操作，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對變量進行自增操作，線程2也去讀取變量inc的原始值，由于線程1只是對變量inc進行讀取操作，而沒有對變量進行修改操作，所以不會導致線程2的工作內存中緩存變量inc的緩存行無效，所以線程2會直接去主存讀取inc的值，發(fā)現(xiàn)inc的值時10，然后進行加1操作，并把11寫入工作內存，最后寫入主存。

然后線程1接著進行加1操作，由于已經讀取了inc的值，注意此時在線程1的工作內存中inc的值仍然為10，所以線程1對inc進行加1操作后inc的值為11，然后將11寫入工作內存，最后寫入主存。

那么兩個線程分別進行了一次自增操作后，inc只增加了1。

解釋到這里，可能有朋友會有疑問，不對啊，前面不是保證一個變量在修改volatile變量時，會讓緩存行無效嗎?然后其他線程去讀就會讀到新的值，對，這個沒錯。這個就是上面的happens-before規(guī)則中的volatile變量規(guī)則，但是要注意，線程1對變量進行讀取操作之后，被阻塞了的話，并沒有對inc值進行修改。然后雖然volatile能保證線程2對變量inc的值讀取是從內存中讀取的，但是線程1沒有進行修改，所以線程2根本就不會看到修改的值。

根源就在這里，自增操作不是原子性操作，而且volatile也無法保證對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，即對基本數(shù)據(jù)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(shù))，減法操作(減一個數(shù))進行了封裝，保證這些操作是原子性操作。atomic是利用CAS來實現(xiàn)原子性操作的(Compare And Swap)，CAS實際上是利用處理器提供的CMPXCHG指令實現(xiàn)的，而處理器執(zhí)行CMPXCHG指令是一個原子性操作。

volatile能保證有序性嗎?

在前面提到volatile關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關鍵字禁止指令重排序有兩層意思：

1、當程序執(zhí)行到volatile變量的讀操作或者寫操作時，在其前面的操作的更改肯定全部已經進行，且結果已經對后面的操作可見;在其后面的操作肯定還沒有進行;

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

可能上面說的比較繞，舉個簡單的例子：

//x、y為非volatile變量
//flag為volatile變量
x = 2;        //語句1
y = 0;        //語句2
flag = true;  //語句3
x = 4;         //語句4
y = -1;       //語句5

由于flag變量為volatile變量，那么在進行指令重排序的過程的時候，不會將語句3放到語句1、語句2前面，也不會講語句3放到語句4、語句5后面。但是要注意語句1和語句2的順序、語句4和語句5的順序是不作任何保證的。

并且volatile關鍵字能保證，執(zhí)行到語句3時，語句1和語句2必定是執(zhí)行完畢了的，且語句1和語句2的執(zhí)行結果對語句3、語句4、語句5是可見的。

那么我們回到前面舉的一個例子：

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

前面舉這個例子的時候，提到有可能語句2會在語句1之前執(zhí)行，那么久可能導致context還沒被初始化，而線程2中就使用未初始化的context去進行操作，導致程序出錯。

這里如果用volatile關鍵字對inited變量進行修飾，就不會出現(xiàn)這種問題了，因為當執(zhí)行到語句2時，必定能保證context已經初始化完畢。

volatile的原理和實現(xiàn)機制

前面講述了源于volatile關鍵字的一些使用，下面我們來探討一下volatile到底如何保證可見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》：

“觀察加入volatile關鍵字和沒有加入volatile關鍵字時所生成的匯編代碼發(fā)現(xiàn)，加入volatile關鍵字時，會多出一個lock前綴指令”

lock前綴指令實際上相當于一個內存屏障(也成內存柵欄)，內存屏障會提供3個功能：

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

2、它會強制將對緩存的修改操作立即寫入主存;

3、如果是寫操作，它會導致其他CPU中對應的緩存行無效。