日常編程中出現(xiàn) volatile 關(guān)鍵字的頻率并不高，大家可能對(duì) volatile 關(guān)鍵字比較陌生，再深入一點(diǎn)也許是聽(tīng)聞 volatile 只能保證可見(jiàn)性而不能保證原子性，無(wú)法有效保證線程安全，于是更加避免使用 volatile ，簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單加上synchronize關(guān)鍵字就完事了。本文稍微深入探討 volatile 關(guān)鍵字，分析其作用及對(duì)應(yīng)的使用場(chǎng)景。
并發(fā)編程的幾個(gè)概念簡(jiǎn)述
首先簡(jiǎn)單介紹幾個(gè)與并發(fā)編程相關(guān)的概念：
- 可見(jiàn)性
可見(jiàn)性是指變量在線程之間是否可見(jiàn)，JVM 中默認(rèn)情況下線程之間不具備可見(jiàn)性。
- 原子性
對(duì)于 a = 0 操作是屬于原子操作，但 a = a + 1 則不是原子操作，因?yàn)檫@里涉及到要先讀取原來(lái) a 的值，然后再為 a 加 1 ，當(dāng)涉及多線程同時(shí)執(zhí)行該語(yǔ)句時(shí)，會(huì)出現(xiàn)值不穩(wěn)定的情況，所以非原子操作在并發(fā)場(chǎng)景下是不安全的。
- 有序性
java 內(nèi)存模型中允許編譯器和處理器進(jìn)行指令重排優(yōu)化，重排過(guò)程中不會(huì)影響單個(gè)線程的指令執(zhí)行順序，但會(huì)影響多線程環(huán)境中的運(yùn)行正確性
- 指令重排
在多核 CPU 的情況下，為了充分利用時(shí)間片，提高指令執(zhí)行效率，處理器會(huì)根據(jù)一定規(guī)則對(duì)指令進(jìn)行重排序，由于規(guī)則的限定，指令重排后理論上最終運(yùn)行結(jié)果不變。
volatile 的主要作用
volatile 的主要作用是實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)性 和禁止指令重排
- 實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)性
在 JVM 內(nèi)存模型中內(nèi)存分為主內(nèi)存和工作內(nèi)存，各線程有獨(dú)自的工作內(nèi)存，對(duì)于要操作的數(shù)據(jù)會(huì)從主內(nèi)存拷貝一份到工作內(nèi)存中，默認(rèn)情況下工作內(nèi)存是相互獨(dú)立的，也就是線程之間不可見(jiàn)，而 volatile 最重要的作用之一就是使變量實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)性。
- 禁止指令重排
雖然指令重排理論上不會(huì)影響執(zhí)行結(jié)果的正確性，但指令重排只能保證底層的機(jī)器語(yǔ)言重排序后結(jié)果正確，而對(duì)于Java高級(jí)語(yǔ)言，所以在沒(méi)有干預(yù)的情況下并不能確保每條語(yǔ)句在編譯對(duì)應(yīng)的指令重排后與期望的執(zhí)行效果一致。
對(duì)于以下示例，由于 ready 沒(méi)有指定 volatile ，當(dāng)變量 ready 線程間不可見(jiàn)時(shí)，可能導(dǎo)致線程中讀不到 ready 的新值，無(wú)法停止循環(huán)；如果指令重排序，可能在線程執(zhí)行前變量 ready 已賦值為 true ，導(dǎo)致線程內(nèi)容不打印。
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public class NoVisibility { private static boolean ready; private static int number; private static class ReaderThread extends Thread { @Override public void run() { while(!ready) { Thread.yield(); } System.out.println("1"); } } public static void main(String[] args) { new ReaderThread().start(); ready = true; }} |
為什么volatile不能保證線程安全？
想要線程安全必須保證原子性，可見(jiàn)性，有序性，而 volatile 只能保證可見(jiàn)性和有序性。
volatile 字段主要是讓線程從主內(nèi)存中獲取值從而保證可見(jiàn)性，但是CPU中還有一層高速緩存——寄存器，對(duì)于非原子性操作，在底層指令運(yùn)算中還是會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)緩存導(dǎo)致運(yùn)算結(jié)果不正確的情況，從而無(wú)法保證線程安全。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，volatile 在多 cpu 環(huán)境下不能保證其它 cpu 的緩存同步刷新，因此無(wú)法保證原子性。
為什么不直接用synchronized
synchronized 可保證原子性、可見(jiàn)性、有序性，能有效保證線程安全，但是有個(gè)缺點(diǎn)是性能開(kāi)銷(xiāo)較大，而 volatile 是輕量級(jí)的線程安全實(shí)現(xiàn)方案，在某些特定場(chǎng)合下也能保證線程安全。由于 synchronized 的便捷性，也容易導(dǎo)致 synchronized 的濫用。
雙重檢查鎖
因?yàn)?volatile 不能簡(jiǎn)易的實(shí)現(xiàn)線程安全，需要有較深入的了解才能正確使用，所以 volatile也顯得更為復(fù)雜，使用頻率也較低，而 volatile 的一個(gè)典型使用例子是雙重檢查鎖模式。
雙重檢查鎖通常用于單例模式或延遲賦值的場(chǎng)景，其代碼通常如下
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public class Singleton { private volatile static Singleton uniqueSingleton; // 1. 為變量添加volatile修飾符 private Singleton() { } public Singleton getInstance() { if (null == uniqueSingleton) { //2. 第一重檢查 synchronized (Singleton.class) { // 3. synchronized加鎖 if (null == uniqueSingleton) { // 4. 第二重檢查 uniqueSingleton = new Singleton(); } } } return uniqueSingleton; }} |
以下是對(duì)這段代碼的一些疑問(wèn)及解答：
Q: 為什么不在 getInstance 方法直接加 synchronized ？
A: 只有在第一次初始化時(shí)才需要加鎖，如果在getInstance方法上加鎖則每次獲取實(shí)例時(shí)都會(huì)對(duì)整段代碼塊加鎖，影響性能
Q: 為什么需要雙重檢查？
A: 如果多線程同時(shí)通過(guò)了第一次檢查，其中一個(gè)線程需要通過(guò)了第二次檢查才進(jìn)行實(shí)例化對(duì)象，其余線程在后續(xù)等待獲取到鎖后則判斷到變量非空，跳過(guò)賦值操作。
Q: 為什么 uniqueSingleton 需要添加volatile關(guān)鍵字？
A: 對(duì)于 uniqueSingleton = new Singleton();語(yǔ)句，實(shí)際上可以分解成以下三個(gè)步驟：
- 分配內(nèi)存空間
- 初始化對(duì)象
- 將對(duì)象指向剛分配的內(nèi)存空間
但是有些編譯器為了性能的原因，可能會(huì)將第二步和第三步進(jìn)行重排序，順序就成了：
- 分配內(nèi)存空間
- 將對(duì)象指向剛分配的內(nèi)存空間
- 初始化對(duì)象
現(xiàn)在考慮重排序后，兩個(gè)線程發(fā)生了以下調(diào)用：
| Time | Thread A | Thread B |
| T1 | 檢查到uniqueSingleton為空 | |
| T2 | 獲取鎖 | |
| T3 | 再次檢查到uniqueSingleton為空 | |
| T4 | 為uniqueSingleton分配內(nèi)存空間 | |
| T5 | 將uniqueSingleton指向內(nèi)存空間 | |
| T6 | 檢查到uniqueSingleton不為空 | |
| T7 | 訪問(wèn)uniqueSingleton（此時(shí)對(duì)象還未完成初始化） | |
| T8 | 初始化uniqueSingleton |
在這里添加volatile關(guān)鍵字主要是避免在對(duì)象未完整完成對(duì)象創(chuàng)建就已經(jīng)被其他線程讀取，造成空指針異常。
總結(jié)
- volatile 的主要作用是實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)性和禁止指令重排。
- 線程安全需要滿足可見(jiàn)性、有序性、原子性。
- volatile 可以保證可見(jiàn)性和有序性，但是無(wú)法保證原子性，所以是線程不安全的。（非原子操作可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)緩存在CPU的cache中，產(chǎn)生數(shù)據(jù)不一致）
- synchronized 關(guān)鍵字雖然可以保證可見(jiàn)性、有序性、原子性，而且用法簡(jiǎn)單，但是性能開(kāi)銷(xiāo)大。
- 雙重檢查鎖模式是 volatile 的典型使用場(chǎng)景，雙重檢查鎖通常用于實(shí)現(xiàn)單例模式或延遲賦值。
以上就是Java并發(fā)編程volatile關(guān)鍵字的作用的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于Java volatile關(guān)鍵字的資料請(qǐng)關(guān)注服務(wù)器之家其它相關(guān)文章！
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