关于volatile

2018-02-22 本文已影响23人 34sir

建议先看Java内存模型

作用

一个变量被volatile修饰之后即具有两层意义：

一个线程修改了某个变量的值，这新值对其他线程来说是立即可见的
禁止进行指令重排序

是否保证可见性？

可以
老规矩，看一个栗子：

//线程1
boolean canDo = false;
while(!canDo){
    do();
}
 
//线程2
canDo = true;

基于对内存模型的了解做一下简单的分析：
线程2会先copy一份canDo的值到工作内存，修改了值后并没有立即刷新到主存，这时可能出现线程2意外被终止，而线程1看不到canDo的最新值，那么就会陷入死循环，这显然不是我们想要的结果，于是这就出现了volatile的戏份了

canDo被volatile修饰后会产生如下的变化：

canDo的值修改后会立即刷新到主存
当线程2进行修改时，会导致线程1的工作内存中缓存变量canDo的缓存行无效
线程1再次读取canDo值时，由于缓存行无效会直接从主存读取

上述三点体现出了立即可见

是否保证原子性？

不可以
看栗子：

public volatile int vol = 0;
     
    public void add() {
        vol++;
    }
     
    public  void test() {
        for(int i=0;i<10;i++){
            new Thread(){
                public void run() {
                    for(int j=0;j<1000;j++)
                        add();
                };
            }.start();
        }
    }

我们期望的结果是：10*1000，但是结果往往偏小
我们做一下分析：
vol++这种自增操作显然不满足原子性，那么就有可能出现线程1刚将vol值读到工作内存还没执行自增操作，虽然vol被volatile所修饰，但主存中它的值依然是100(假设此时值为100)，此时线程2已经执行自增操作，所以截止到线程2执行完成vol的值是101，而不是我们期望的两次自增后的102
所以结论是volatile无法保证原子性

如何保证原子性？

三种方式：

synchronized
Lock
AtomicInteger

synchronized方式：

 public synchronized void add() {
        vol++;
    }

Lock方式：

public  void add() {
        lock.lock();
        try {
            vol++;
        } finally{
            lock.unlock();
        }
    }

AtomicInteger方式：

 public  AtomicInteger vol = new AtomicInteger(); //java 1.5中出现的原子操作类
     
    public  void add() {
        vol.getAndIncrement();
    }

这里对AtomicInteger做一下解释：
在java 1.5的java.util.concurrent.atomic包下提供了一些原子操作类，即对基本数据类型的自增（加1操作），自减（减1操作）、以及加法操作（加一个数），减法操作（减一个数）进行了封装，保证这些操作是原子性操作

是否保证有序性？

答案是,不能确保有序性，但可以一定程度上保证有序性
由上文我们可以知道volatile可以禁止指令重排，那这里就有两层含义：

程序执行到volatile的读或者写操作时，其之前的操作肯定全部完成并且结果对后面的可见，其后面的操作还没开始执行(这里的之前之后是指代码的前后顺序)
访问volatile变量的语句不能前移也不能后移

结合一个栗子来理解：

x=0; //语句1
y=1；//语句2
vol=true; //语句3  vol是volatile变量
x=1; //语句4
y=0; //语句5

语句3不能移到1,2之前也不能移到4,5之后，但是1,2和4,5之间的顺序可以调换

看一个栗子来理解volatile确保有序性的价值：

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

倘若代码中inited不是volatile变量，那么就会存在一个问题：
指令重排后有可能语句2在1之前执行，那么doSomethingwithconfig就有可能在context = loadContext()之前执行，就会出现空指针
如果inited是volatile变量，语句1必定在2之前执行，这样就避免了上述问题

原理

volatile是如何保证可见性和禁止指令重排的？

“观察加入volatile关键字和没有加入volatile关键字时所生成的汇编代码发现，加入volatile关键字时，会多出一个lock前缀指令”

lock前缀指令实际上相当于一个内存屏障（也成内存栅栏），内存屏障会提供3个功能：

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，也不会把前面的指令排到内存屏障的后面
强制将对缓存的修改操作立即写入主存
如果是写操作，它会导致其他CPU中对应的缓存行无效

使用场景

由上文我们可知synchronized是可以实现volatile所能实现的功能的，那么volatile对比synchronized有什么不同？
答案：volatile性能要优于synchronized但是无法保证操作的原子性

所以使用volatile需要满足两个条件：

对变量的写操作不依赖于当前值
该变量没有包含在具有其他变量的不变式中

上述两个条件简单的说就是需要保证操作的原子性

开发中常见的使用场景：

上文提到过的状态表计量
单例的double check

class Singleton{
    private volatile static Singleton instance = null;
     
    private Singleton() {
         
    }
     
    public static Singleton getInstance() {
        if(instance==null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if(instance==null)
                    instance = new Singleton();
            }
        }
        return instance;
    }
}