Java多线程之volatile关键字

相比较synchronized关键字而言, volatile更加轻量级, 使用的成本也更低, 因为它不会引起线程上下文的调度和切换, Java对于volatile的定义:

Java编程语言允许线程访问共享变量，为了确保共享变量能被准确和一致地更新，线程应该确保通过排他锁单独获得这个变量。

简单理解就是如果一个变量用volatile关键字修饰了, 那么Java可以确保所有变量看到的这个变量的值一定是正确的.
想要理解这点就需要了解一点前置知识:

操作系统层面

在多线程的情况下, 会具有缓存一致性的问题, 即多个线程在执行写入操作时, 会首先从主从中各自拷贝一份到CPU高速缓存中, 然后执行, 执行完后会写入缓存, 最后刷新入主存, 这样就会导致有的线程会覆盖之前线程的值. 而解决该问题有两种方案:

• 通过总线加LOCK锁.
• 通过缓存一致性协议解决.

首先第一个方案会阻塞其他CPU, 效率太低. 所以采用第二种, 核心思想是: 如果发现操作的变量是无效的, 那么会通知其他CPU该变量的缓存行是无效的, 这样其他CPU在读取该变量时, 会重新从主存中加载数据

Java内存模型

• 原子性

  在多线程的环境下, Java只保证基本数据类型的变量的声明和赋值具有原子性, 不然需要通过synchronized来确保, volatile不能确保复合操作原子性.

• 可见性

  当一个变量被volatile修饰后,表示着线程本地内存无效,当一个线程修改共享变量后他会立即被更新到主内存中,当其他线程读取共享变量时,它会直接从主内存中读取.
  当然,synchronize和锁都可以保证可见性.

• 有序性

  在Java内存模型中,为了效率是允许编译器和处理器对指令进行重排序,当然重排序它不会影响单线程的运行结果,但是对多线程会有影响.Java提供volatile来保证一定的有序性.

volatile原理

volatile可以保证线程可见性且提供了一定的有序性，但是无法保证原子性。在JVM底层volatile是采用“内存屏障”来实现的。

上面这句话有两个含义

1. 保证可见性、不保证原子性
2. 禁止指令重排序

第一个含义在之前已经介绍, 关于第二个含义的解释如下:

1. 当程序执行到volatile变量的读操作或写操作时, 在其前面的操作的更改肯定全部已经进行, 且结果对后面的操作可见, 在其后面的操作肯定还没有进行
2. 在进行指令优化时, 不能将在对volatile变量访问的语句放在其后面执行, 也不能把volatile变量后面的语句放到前面执行.

关于其实现原理: 在加入volatile关键字时, 会多出一个lock指令, 相当于一个内存屏障, 提供了三个功能:

1. 确保指令重排序时不会把其后面的指令排到内存屏障之前的位置, 也不会把前面的排到内存屏障后面
2. 会强制将对缓存的修改操作立即写入主存
3. 如果是写操作, 会导致其他CPU中对应的缓存行无效

使用场景:

• 状态标志

volatile boolean shutdownRequested;
 
...
 
public void shutdown() { shutdownRequested = true; }
 
public void doWork() { 
    while (!shutdownRequested) { 
        // do stuff
    }
}

• 一次性安全发布

  public class BackgroundFloobleLoader {
    public volatile Flooble theFlooble;
 
    public void initInBackground() {
        // do lots of stuff
        theFlooble = new Flooble();  // this is the only write to theFlooble
    }
}
 
public class SomeOtherClass {
    public void doWork() {
        while (true) { 
            // do some stuff...
            // use the Flooble, but only if it is ready
            if (floobleLoader.theFlooble != null) 
                doSomething(floobleLoader.theFlooble);
        }
    }
}