20200428 线程安全(上)--彻底搞懂volatile关键字

计算机在处理数据的过程中为什么会出现线程不安全的问题。

计算机在执行程序时，每条指令都是在CPU中执行的，而执行指令过程中会涉及到数据的读取和写入。由于程序运行过程中的临时数据是存放在主存（物理内存）当中的，这时就存在一个问题，由于CPU执行速度很快，而从内存读取数据和向内存写入数据的过程跟CPU执行指令的速度比起来要慢的多，因此如果任何时候对数据的操作都要通过和内存的交互来进行，会大大降低指令执行的速度。

为了处理这个问题，在CPU里面就有了高速缓存(Cache)的概念。当程序在运行过程中，会将运算需要的数据从主存复制一份到CPU的高速缓存当中，那么CPU进行计算时就可以直接从它的高速缓存读取数据和向其中写入数据，当运算结束之后，再将高速缓存中的数据刷新到主存当中。

CPU<---->高速缓存<---->内存

比如cpu在执行下面这段代码的时候,t = t + 1;

会先从高速缓存中查看是否有t的值，如果有，则直接拿来使用，如果没有，则会从主存中读取，读取之后会复制一份存放在高速缓存中方便下次使用。之后cup进行对t加1操作，然后把数据写入高速缓存，最后会把高速缓存中的数据刷新到主存中。

 

Java这种语言在处理线程安全问题的时候，会有自己的处理机制，例如volatile关键字，synchronized关键字，并且这种机制适用于各种平台。

为每个线程开启工作内存。

Java内存模型规定所有的变量都是存在主存当中（类似于前面说的物理内存），每个线程都有自己的工作内存（类似于前面的高速缓存）。线程对变量的所有操作都必须在工作内存中进行，而不能直接对主存进行操作。并且每个线程不能访问其他线程的工作内存。（线程共享区，线程独占区）

由于java中的每个线程有自己的工作空间，这种工作空间相当于上面所说的高速缓存，因此多个线程在处理一个共享变量的时候，就会出现线程安全问题。

共享变量：上面我们所说的t就是一个共享变量，也就是说，能够被多个线程访问到的变量，我们称之为共享变量。在java中共享变量包括实例变量，静态变量，数组元素。他们都被存放在堆内存中。

 

volatile关键字是如何保证线程安全问题的？

可见性：假如一个变量被声明为volatile，那么这个变量就具有了可见性的性质了。这就是volatile关键的作用之一了。 其他线程能够知道当前线程对共享变量的修改状况。

volatile保证变量可见性的原理

在后来的处理器中，处理器遇到lock指令时不会再锁住总线，而是会检查数据所在的内存区域，如果该数据是在处理器的内部缓存中，则会锁定此缓存区域，处理完后把缓存写回到主存中，并且会利用缓存一致性协议来保证其他处理器中的缓存数据的一致性。

 

缓存一致性协议

刚才我在说可见性的时候，说“如果一个共享变量被一个线程修改了之后，当其他线程要读取这个变量的时候，最终会去内存中读取，而不是从自己的工作空间中读取”，实际上是这样的：

线程中的处理器会一直在总线上嗅探其内部缓存中的内存地址在其他处理器的操作情况，一旦嗅探到某处处理器打算修改其内存地址中的值，而该内存地址刚好也在自己的内部缓存中，那么处理器就会强制让自己对该缓存地址的无效。所以当该处理器要访问该数据的时候，由于发现自己缓存的数据无效了，就会去主存中访问。（强制缓存无效，从主存中取访问）

 

有序性

实际上，当我们把代码写好之后，虚拟机不一定会按照我们写的代码的顺序来执行。例如对于下面的两句代码：

int a = 1; int b = 2;

对于这两句代码，你会发现无论是先执行a = 1还是执行b = 2，都不会对a,b最终的值造成影响。所以虚拟机在编译的时候，是有可能把他们进行重排序的。

为什么要进行重排序呢？

假如执行 int a = 1这句代码需要100ms的时间，但执行int b = 2这句代码需要1ms的时间，并且先执行哪句代码并不会对a,b最终的值造成影响。那当然是先执行int b = 2这句代码了。

所以，虚拟机在进行代码编译优化的时候，对于那些改变顺序之后不会对最终变量的值造成影响的代码，是有可能将他们进行重排序的。

如果一个变量被声明volatile的话，那么这个变量不会被进行重排序，也就是说，虚拟机会保证这个变量之前的代码一定会比它先执行，而之后的代码一定会比它慢执行。

例如把上面中的number声明为volatile，那么number = 42一定会比ready = true先执行。

volatile关键字能够保证代码的有序性，这个也是volatile关键字的作用。

总结一下，一个被volatile声明的变量主要有以下两种特性保证保证线程安全: 可见性, 有序性。

我们通过上面的讲解，发现volatile关键字还是挺有用的，不但能够保证变量的可见性，还能保证代码的有序性。

那么，它真的能够保证一个变量在多线程环境下都能被正确的使用吗？

答案是否定的。原因是因为Java里面的运算并非是原子操作。