行业资讯

如何理解Java中volatile关键字

发布时间：2021-10-09 14:39:00 作者：iii
来源：亿速云 阅读：101

这篇文章主要介绍“如何理解Java中volatile关键字”，在日常操作中，相信很多人在如何理解Java中volatile关键字问题上存在疑惑，小编查阅了各式资料，整理出简单好用的操作方法，希望对大家解答”如何理解Java中volatile关键字”的疑惑有所帮助！接下来，请跟着小编一起来学习吧！

CPU缓存

缓存模型

计算机中的所有运算操作都是由CPU完成的，CPU指令执行过程需要涉及数据读取和写入操作，但是CPU只能访问处于内存中的数据，而内存的速度和CPU的速度是远远不对等的，因此就出现了缓存模型，也就是在CPU和内存之间加入了缓存层。一般现代的CPU缓存层分为三级，分别叫L1缓存、L2缓存和L3缓存，简略图如下：

如何理解Java中volatile关键字

如何理解Java中volatile关键字

缓存的出现，是为了解决CPU直接访问内存效率低下的问题，CPU进行运算的时候，将需要的数据从主存复制一份到缓存中，因为缓存的访问速度快于内存，在计算的时候只需要读取缓存并将结果更新到缓存，运算结束再将结果刷新到主存，这样就大大提高了计算效率，整体交互图简略如下：

如何理解Java中volatile关键字

缓存一致性问题

虽然缓存的出现，大大提高了吞吐能力，但是，也引入了一个新的问题，就是缓存不一致。比如，最简单的一个i++操作，需要将内存数据复制一份到缓存中，CPU读取缓存值并进行更新，先写入缓存，运算结束后再将缓存中新的刷新到内存，具体过程如下：

这样的i++操作在单线程不会出现问题，但在多线程中，因为每个线程都有自己的工作内存（也叫本地内存，是线程自己的缓存），变量i在多个线程的本地内存中都存在一个副本，如果有两个线程执行i++操作：

这个就是典型的缓存不一致问题，主流的解决办法有：

总线加锁

这是一种悲观的实现方式，具体来说，就是通过处理器发出lock指令，锁住总线，总线收到指令后，会阻塞其他处理器的请求，直到占用锁的处理器完成操作。特点是只有一个抢到总线锁的处理器运行，但是这种方式效率低下，一旦某个处理器获取到锁其他处理器只能阻塞等待，会影响多核处理器的性能。

缓存一致性协议

图示如下：

如何理解Java中volatile关键字

缓存一致性协议中最出名的就是MESI协议，MESI保证了每一个缓存中使用的共享变量的副本都是一致的。大致思想是，CPU操作缓存中的数据时，如果发现该变量是一个共享变量，操作如下：

具体来说，MESI中规定了缓存行使用4种状态标记：

有关MESI详细的实现超出了本文的范围，想要详细了解可以参考此处或此处。

JMM

看完了CPU缓存再来看一下JMM，也就是Java内存模型，指定了JVM如何与计算机的主存进行工作，同时也决定了一个线程对共享变量的写入何时对其他线程可见，JMM定义了线程和主内存之间的抽象关系，具体如下：

简略图如下：

如何理解Java中volatile关键字

与MESI类似，如果一个线程修改了共享变量，刷新到主内存后，其他线程读取工作内存的时候发现缓存失效，会从主内存再次读取到工作内存中。

而下图表示了JVM与计算机硬件分配的关系：

如何理解Java中volatile关键字

并发编程的三个特性

文章都看了大半了还没到volatile？别急别急，先来看看并发编程中的三个重要特性，这对正确理解volatile有很大的帮助。

原子性

原子性就是在一次或多次操作中：

一个典型的例子就是两个人转账，比如A向B转账1000元，那么这包含两个基本的操作：

这两个操作，要么都成功，要么都失败，也就是不能出现A账户扣除1000但是B账户金额不变的情况，也不能出现A账户金额不变B账户增加1000的情况。

需要注意的是两个原子性操作结合在一起未必是原子性的，比如i++。本质上来说，i++涉及到了三个操作：

这三个操作都是原子性的，但是组合在一起（i++）就不是原子性的。

可见性

另一个重要的特性是可见性，可见性是指，一个线程对共享变量进行了修改，那么另外的线程可以立即看到修改后的最新值。

一个简单的例子如下：

public class Main {
    private int x = 0;
    private static final int MAX = 100000;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Main m = new Main();
        Thread thread0 = new Thread(()->{
            while(m.x < MAX) {
                ++m.x;
            }
        });

        Thread thread1 = new Thread(()->{
            while(m.x < MAX){
            }
            System.out.println("finish");
        });

        thread1.start();
        TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(1);
        thread0.start();
    }
}

线程thread1会一直运行，因为thread1把x读入工作内存后，会一直判断工作内存中的值，由于thread0改变的是thread0工作内存的值，并没有对thread1可见，因此永远也不会输出finish，使用jstack也可以看到结果：

如何理解Java中volatile关键字

有序性

有序性是指代码在执行过程中的先后顺序，由于JVM的优化，导致了代码的编写顺序未必是代码的运行顺序，比如下面的四条语句：

int x = 10;
int y = 0;
x++;
y = 20;

有可能y=20在x++前执行，这就是指令重排序。一般来说，处理器为了提高程序的效率，可能会对输入的代码指令做一定的优化，不会严格按照编写顺序去执行代码，但可以保证最终运算结果是编码时的期望结果，当然，重排序也有一定的规则，需要严格遵守指令之间的数据依赖关系，并不是可以任意重排序，比如：

int x = 10;
int y = 0;
x++;
y = x+1;

y=x+1就不能先优于x++执行。

在单线程下重排序不会导致预期值的改变，但在多线程下，如果有序性得不到保证，那么将可能出现很大的问题：

private boolean initialized = false;
private Context context;
public Context load(){
    if(!initialized){
        context = loadContext();
        initialized = true;
    }
    return context;
}

如果发生了重排序，initialized=true排序到了context=loadContext()的前面，假设两个线程A、B同时访问，且loadContext()需要一定耗时，那么：

volatile

好了终于到了volatile了，前面说了这么多，目的就是为了能彻底理解和明白volatile。这部分分为四个小节：

先来介绍一下volatile的语义。

语义

被volatile修饰的实例变量或者类变量具有两层语义：

如何保证可见性以及有序性

先说结论：

下面分别进行介绍。

可见性

Java中保证可见性有如下方式：

具体来说，可以看一下之前的例子：

public class Main {
    private int x = 0;
    private static final int MAX = 100000;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Main m = new Main();
        Thread thread0 = new Thread(()->{
            while(m.x < MAX) {
                ++m.x;
            }
        });

        Thread thread1 = new Thread(()->{
            while(m.x < MAX){
            }
            System.out.println("finish");
        });

        thread1.start();
        TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(1);
        thread0.start();
    }
}

上面说过这段代码会不断运行，一直没有输出，就是因为修改后的x对线程thread1不可见，如果在x的定义中加上了volatile，就不会出现没有输出的情况了，因为此时对x的修改是线程thread1可见的。有序性

JMM中允许编译期和处理器对指令进行重排序，在多线程的情况下有可能会出现问题，为此，Java同样提供了三种机制去保证有序性：

另外，关于有序性不得不提的就是Happens-before原则。Happends-before原则说的就是如果两个操作的执行次序无法从该原则推导出来，那么就无法保证有序性，JVM或处理器可以任意重排序。这么做的目的是为了尽可能提高程序的并行度，具体规则如下：

对于volatile，会直接禁止对指令重排，但是对于volatile前后无依赖关系的指令可以随意重排，比如：

int x = 0;
int y = 1;
//private volatile int z;
z = 20;
x++;
y--;

在z=20之前，先定义x或先定义y并没有要求，只需要在执行z=20的时候，可以保证x=0,y=1即可，同理，x++或y--具体先执行哪一个并没有要求，只需要保证两者执行在z=20之后即可。

原子性

在Java中，所有对基本数据类型变量的读取赋值操作都是原子性的，对引用类型的变量读取和赋值也是原子性的，但是：

也就是说，volatile并不能保证原子性，例子如下：

public class Main {
    private volatile int x = 0;
    private static final CountDownLatch latch = new CountDownLatch(10);

    public void inc() {
        ++x;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Main m = new Main();
        IntStream.range(0, 10).forEach(i -> {
            new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                    m.inc();
                }
                latch.countDown();
            }).start();
        });
        latch.await();
        System.out.println(m.x);
    }
}

最后输出的x的值会少于10000，而且每次运行的结果也并不相同，至于原因，可以从两个线程A、B开始分析，图示如下：

如何理解Java中volatile关键字

也就是说，多线程操作的话，会出现两次自增但是实际上只进行一次数值修改的操作。想要x的值变为10000也很简单，加上synchronized即可：

new Thread(() -> {
    synchronized (m) {
        for (int j = 0; j < 1000; j++) {
            m.inc();
        }
    }
    latch.countDown();
}).start();

实现原理

前面已经知道，volatile可以保证有序性以及可见性，那么，具体是如何操作的呢？

答案就是一个lock;前缀，该前缀实际上相当于一个内存屏障，该内存屏障会为指令的执行提供如下几个保障：

使用场景

一个典型的使用场景是利用开关进行线程的关闭操作，例子如下：

public class ThreadTest extends Thread{
    private volatile boolean started = true;

    @Override
    public void run() {
        while (started){
            
        }
    }

    public void shutdown(){
        this.started = false;
    }
}

如果布尔变量没有被volatile修饰，那么很可能新的布尔值刷新不到主内存中，导致线程不会结束。

与synchronized的区别

到此，关于“如何理解Java中volatile关键字”的学习就结束了，希望能够解决大家的疑惑。理论与实践的搭配能更好的帮助大家学习，快去试试吧！若想继续学习更多相关知识，请继续关注亿速云网站，小编会继续努力为大家带来更多实用的文章！

推荐阅读：
  1. java中的volatile关键字是什么？volatile关键字怎么用？
  2. 深入理解volatile关键字

免责声明：本站发布的内容（图片、视频和文字）以原创、转载和分享为主，文章观点不代表本网站立场，如果涉及侵权请联系站长邮箱：is@yisu.com进行举报，并提供相关证据，一经查实，将立刻删除涉嫌侵权内容。

java volatile

上一篇：Web应用中GoTTY终端工具的安装以及用法

下一篇：Linux中性能监控和优化命令分别是哪些呢

相关阅读

您好，登录后才能下订单哦！

密码登录
登录注册
获取短信验证码
其他方式登录
点击 登录注册 即表示同意《亿速云用户服务条款》
产品服务
地区划分
帮助支持
关于我们
行业资讯-文章归档 问答-问答归档
广州亿速云计算有限公司

7*24小时在线电话：400-100-2938

7*24小时在线QQ：800811969

Copyright © Yisu Cloud Ltd. All Rights Reserved. 2018 版权所有
粤ICP备17096448号-1 粤公网安备 44010402001142号