java中volatile关键字的作用

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一、volatile是什么？

每条指令在CPU执行的过程中，由于由于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。因此在CPU里面就有了高速缓存。
　　
也就是，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。

二、问题及解决

当线程执行这个语句时，会先从主存当中读取i的值，然后复制一份到高速缓存当中，然后CPU执行指令对i进行加1操作，然后将数据写入高速缓存，最后将高速缓存中i最新的值刷新到主存当中。

i = i + 1;

这个代码在单线程中运行是没有任何问题的，但是在多线程中运行就会有问题了。
比如同时有2个线程执行这段代码，假如初始时i的值为0，那么我们希望两个线程执行完之后i的值变为2。

可能存在下面一种情况：初始时，两个线程分别读取i的值存入各自所在的CPU的高速缓存当中，然后线程1进行加1操作，然后把i的最新值1写入到内存。此时线程2的高速缓存当中i的值还是0，进行加1操作之后，i的值为1，然后线程2把i的值写入内存。
最终结果i的值是1，而不是2。这就是著名的缓存一致性问题。通常称这种被多个线程访问的变量为共享变量。

1、LOCK#锁的方式

在早期的CPU当中，是通过在总线上加LOCK#锁的形式来解决缓存不一致的问题。因为CPU和其他部件进行通信都是通过总线来进行的，如果对总线加LOCK#锁的话，也就是说阻塞了其他CPU对其他部件访问（如内存），从而使得只能有一个CPU能使用这个变量的内存。比如上面例子中 如果一个线程在执行 i = i +1，如果在执行这段代码的过程中，在总线上发出了LCOK#锁的信号，那么只有等待这段代码完全执行完毕之后，其他CPU才能从变量i所在的内存读取变量，然后进行相应的操作。这样就解决了缓存不一致的问题。

2、通过缓存一致性协议

但是上面的方式会有一个问题，由于在锁住总线期间，其他CPU无法访问内存，导致效率低下。所以就出现了缓存一致性协议。最出名的就是Intel 的MESI协议，MESI协议保证了每个缓存中使用的共享变量的副本是一致的。它核心的思想是：当CPU写数据时，如果发现操作的变量是共享变量，即在其他CPU中也存在该变量的副本，会发出信号通知其他CPU将该变量的缓存行置为无效状态，因此当其他CPU需要读取这个变量时，发现自己缓存中缓存该变量的缓存行是无效的，那么它就会从内存重新读取。

三、并发编程中的三个概念

1、原子性

即一个操作或者多个操作 要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断，要么就都不执行。

2、可见性

可见性是指当多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了这个变量的值，其他线程能够立即看得到修改的值。
例如：线程1对变量n修改了之后，线程2没有立即看到线程1修改的值。

3、有序性

即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。

//线程1:
context = loadContext();   //语句1
inited = true;             //语句2
 
//线程2:
while(!inited ){
  sleep()
}
doSomethingwithconfig(context);

上面代码中，由于语句1和语句2没有数据依赖性，因此可能会被重排序。假如发生了重排序，在线程1执行过程中先执行语句2，而此是线程2会以为初始化工作已经完成，那么就会跳出while循环，去执行doSomethingwithconfig(context)方法，而此时context并没有被初始化，就会导致程序出错。

四、案例

1、可见性

NonVolatileDemo中，停止标识stop未使用volatile关键字修饰，初始值为false。

• 创建子线程thread1并启动，在子线程thread1任务中使用停滞标识stop作为判断条件：
• 当不满足停止条件时，线程会一直运行；
• 当满足停止条件，终止任务。
• 稍后，我们在主线程中设置停止标识为true。
• 我们希望在设置stop=true之后，子线程能够获得到判断条件的变化而停下来

但是执行代码，结果如下图，我们可以看到在主线程设置stop=true后，子线程未及时感知到stop的变化，还在继续执行任务。

class ThreadLocalTest3 {
    public static boolean stop = false;//任务是否停止,普通变量
    //public static volatile boolean stop = false;//任务是否停止，volatile变量

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            while (!stop) { //stop=false，不满足停止条件，继续执行
                //do someting
            }
            System.out.println("stop=true，满足停止条件。" +
                    "停止时间：" + System.currentTimeMillis());
        });
        thread1.start();

        Thread.sleep(100);//保证主线程修改stop=true，在子线程启动后执行。
        stop = true; //true
        System.out.println("主线程设置停止标识 stop=true。" +
                "设置时间：" + System.currentTimeMillis());
    }
}

​ 在VolatileDemo中，停止标识stop使用volatile关键字修饰，初始值为false。其他代码和NonVolatileDemo完全一致。

初步了解了volatile的基本使用及其可见性，下面我们来看看volatile和synchronized的区别

public class SychronizedDemo {
    public static boolean stop = false;//任务是否停止

    //同步静态方法，设置stop
    public static synchronized void setStop(boolean flag) {
        SychronizedDemo.stop = flag;
    }

    //同步静态方法，获取stop
    public static synchronized boolean isStop() {
        return stop;
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            while (!isStop()) { //stop=false，不满足停止条件，继续执行
                //do someting
            }
            System.out.println("stop=true，满足停止条件。" +
                    "停止时间：" + System.currentTimeMillis());
        });
        thread1.start();

        Thread.sleep(100);//保证主线程修改stop=true，在子线程启动后执行。
        setStop(true); //true
        System.out.println("主线程设置停止标识 stop=true。" +
                "设置时间：" + System.currentTimeMillis());
    }
}

在SychronizedDemo中，停止标识stop为普通静态变量，初始值为false。stop的设置方法setStop或获取方法isStop都为同步方法，可以保证锁对象SychronizedDemo类静态变量stop的可见性。执行代码，结果如下图，我们可以看到在主线程设置stop=true后，子线程同时感知到stop的变化终止了任务。

volatile关键字是Java提供的最轻量级的同步机制，为字段的访问提供了一种免锁机制，使用它不会引起线程的切换及调度。这时使用volatile要比synchronized要简单有效的多，如果使用synchronized还会影响系统的吞吐量。

事实上，volatile关键字并不是万能的，因为我们前文讲到了volatile并不能保证原子性。

2、volatile的正确使用方式

这样只要任何一个线程调用了shutdown()，其他线程在执行doWork时都可以立即感知到stop变量的变化，这时就可以大胆的使用volatile。这种类型的状态标记的一个公共特性是：通常只有一种状态转换，如标志从false 转换为true。

volatile boolean stop=false;//volatile 变量，用于停止请求的状态标识
public void shutdown() {//停止请求
    stop = true;   
}  
public void doWork() {
    while (!stop) {//判断是否需要停止
        // do Something  
    }  
}