深入理解volatile关键字

深入理解volatile关键字

1.volatile与可见性

都知道volatile可以保证可见性，那么到底是如何保证的呢？

这便于Happen-before原则有关，该原则的第三条规定：对一个volatile修饰的变量，写操作要早于对这个变量的读操作。具体步骤如下：

• A线程将共享变量读进工作内存中，同时B线程也将共享变量读进工作内存中。
• 在A线程对共享变量修改后，会立即刷新到主内存，此时B线程的工作内存中的共享变量就会被设置无效，需要从主内存中重新读取新值。反映到硬件上就是CPU的Cache line 置为无效状态。

这样便保证了可见性，简单而言，就是线程在对volatile修饰的变量修改且刷新到主内存之后，会使得其它线程的工作内存中的共享变量无效，需要从主内存中再此读取。这里涉及一个总线嗅探机制。

2.volatile与有序性

都知道volatile可以保证有序性，那么到底是如何保证的呢？

volatile保证有序性，比较直接，禁止JVM和处理器对volatile关键字修饰的变量进行指令重排序，但对于该变量之前或者之后的可以任意排序，只要最终的结果与没更改前的结果保持一致即可。

为什么会有指令重排？
现代CPU具有同时取出多条指令的机制，一个CPU可以分为取值单元，译码单元，执行单元，多个单元之间完全可以并行操作。因此会造成指令重排。

底层原理

被volatile修饰的变量在底层会加一个“lock:”的前缀，带"lock"前缀的指令相当于一个内存屏障，这恰恰是保证可见性与有序性的关键，该屏障的作用主要有一下几点：

• 指令重排时，屏障前的代码不能重排到屏障后，屏障后的也不能重排到屏障前。
• 执行到内存屏障时，确保前面的代码都已经执行完毕，且执行结果是对屏障后的代码可见的。
• 强制将工作内存中的变量刷新到主内存。
• 其它线程的工作内存的变量会设置无效，需要重现从主内存中读取。

3.volatile与原子性

都知道volatile不能保证原子性，那么为何不能保证原子性呢？

代码演示：

package com.github.excellent01;

import java.util.concurrent.CountDownLatch;

/**
 * @auther plg
 * @date 2019/5/19 9:37
 */
public class TestVolatile implements Runnable {
    private volatile Integer num = 0;
    private static CountDownLatch latch = new CountDownLatch(10);
    @Override
    public void run() {
        for(int i = 0; i < 1000; i++){
            num++;
        }
        latch.countDown();
    }

    public Integer getNum() {
        return num;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        TestVolatile test = new TestVolatile();
        for(int i = 0; i < 10; i++){
            new Thread(test).start();
        }
        latch.await();
        System.out.println(test.getNum());
    }
}

启动10个线程，每个线程对共享变量num，加1000次，当所有的线程执行完毕之后，打印输出num 的最终结果。

很少有10000的这便是因为volatile不能保证原子性造成的。

原因分析：

num++的操作由三步组成：

• 从主内存将num读进工作内存中
• 在工作内存中进行加一
• 加一完成后，写回主内存。

虽然这三步都是原子操作，但合起来不是原子操作，每一步执行的过程中都有可能被打断。

假设此时num的值为10，线程A将变量读进自己的工作内存中，此时发生了CPU切换，B也将num读进自己的工作内存，此时值也是10.B线程在自己的工作内存中对num的值进行修改，变成了11，但此时还没有刷新到主内存，因此A线程还不知道num的值已经发生了改变，之前所说的，对volatile变量修改后，其它线程会立即得知，前提也是要先刷新到主内存中，这时，其它线程才会将自己工作中的共享变量的值设为无效。因为没有刷新到主内存，因此A傻傻的不知道，在10的基础上加一，因此最终虽然两个线程都进行了加一操作，但最终的结果只加了一次。

这便是为什么volatile不能保证原子性。

volatile的使用场景

根据volatile的特点，保证有序性，可见性，不能保证原子性，因此volatile可以用于那些不需要原子性，或者说原子性已经得到保障的场合：

代码演示

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

只要线程对shutdownRequested进行修改，执行work的线程会立即看到，因此会立即停止下来，如果不加volatile的话，它每次去工作内存中读取数据一直是个true，一直执行，都不知道别人已经让它停了。

代码演示：

package com.github.excellent;

import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;

/**
 * 启动线程会被阻塞，flag 从内存读入，会存入寄存器中，下次直接从寄存器取值
 * 因此值一直是false
 * 即使别的线程已经将值更改了，它也不知道
 * 加volatile即可。也可以加锁，只要保证内存可见性即可
 * @auther plg
 * @date 2019/5/2 22:40
 */
public class Testvolatile {
    public static  boolean flag = false;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread1 = new Thread(()->{
            for(;;) {
                System.out.println(flag);
            }
        });
        Thread thread2 = new Thread(()->{
            for(;;){
                flag = true;
            }
        });
        thread1.start();
        Thread.sleep(1000);
        thread2.start();
    }
}

执行结果：

就是这么笨，别人修改了自己不知道，还输出false。加一个volatile就ok了。