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【原创】Java并发编程系列05 | 深入理解volatile

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思维导图

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写在前面

本篇文章介绍并发编程中常用的volatile关键字。主要介绍两方面内容：

  • volatile有哪些特性，可以用来做什么？
  • volatile实现原理。

    1. 保证可见性

volatile保证了不同线程对volatile修饰变量进行操作时的可见性。
对一个volatile变量的读，（任意线程）总是能看到对这个volatile变量最后的写入。
一个线程修改volatile变量的值时，该变量的新值会立即刷新到主内存中，这个新值对其他线程来说是立即可见的。
一个线程读取volatile变量的值时，该变量在本地内存中缓存无效，需要到主内存中读取。
举例：
中断线程时常采用这种标记办法。

boolean stop = false;// 是否中断线程1标志
//Tread1
new Thread() {
    public void run() {
        while(!stop) {
          doSomething();
        }
    };
}.start();
//Tread2
new Thread() {
    public void run() {
        stop = true;
    };
}.start();

目的： Tread2设置stop=true时，Tread1读取到stop=true，Tread1中断执行。
问题： 虽然大多数时候可以达到中断线程1的目的，但是有可能发生Tread2设置stop=true后，Thread1未被中断的情况，而且这种情况引发的都是比较严重的线上问题，排查难度很大。
问题分析： Tread2设置stop=true时，并未将stop=true刷到主内存，导致Tread1到主内存中读取到的仍然是stop=false，Tread1就会继续执行。也就是有内存可见性问题。
解决： stop变量用volatile修饰。
Tread2设置stop=true时，立即将volatile修饰的变量stop=true刷到主内存；
Tread1读取stop的值时，会到主内存中读取最新的stop值。

2. 保证有序性

volatile关键字能禁止指令重排序，保证了程序会严格按照代码的先后顺序执行，即保证了有序性。
volatile的禁止重排序规则：

1）当第二个操作是volatile写时，不管第一个操作是什么，都不能重排序。这个规则确保volatile写之前的操作不会被编译器重排序到volatile写之后。
2）当第一个操作是volatile读时，不管第二个操作是什么，都不能重排序。这个规则确保volatile读之后的操作不会被编译器重排序到volatile读之前。
3）当第一个操作是volatile写，第二个操作是volatile读时，不能重排序。

举例：

boolean inited = false;// 初始化完成标志
//线程1:初始化完成，设置inited=true
new Thread() {
    public void run() {
        context = loadContext();   //语句1
        inited = true;             //语句2
    };
}.start();
//线程2:每隔1s检查是否完成初始化，初始化完成之后执行doSomething方法
new Thread() {
    public void run() {
        while(!inited){
          Thread.sleep(1000);
        }
        doSomething(context);
    };
}.start();

目的： 线程1初始化配置，初始化完成，设置inited=true。线程2每隔1s检查是否完成初始化，初始化完成之后执行doSomething方法。
问题： 线程1中，语句1和语句2之间不存在数据依赖关系，JMM允许这种重排序。如果在程序执行过程中发生重排序，先执行语句2后执行语句1，会发生什么情况？
当线程1先执行语句2时，配置并未加载，而inited=true设置初始化完成了。线程2执行时，读取到inited=true，直接执行doSomething方法，而此时配置未加载，程序执行就会有问题。
解决： volatile修饰inited变量。
volatile修饰inited，“当第二个操作是volatile写时，不管第一个操作是什么，都不能重排序。”，保证线程1中语句1与语句2不能重排序。

3. 不保证原子性

volatile是不能保证原子性的。
原子性是指一个操作是不可中断的，要全部执行完成，要不就都不执行。
举例：

public class VolatileTest {
    public volatile int a = 0;

    public void increase() {
        a++;
    }

    public static void main(String[] args) {
        final VolatileTest test = new VolatileTest();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread() {
                public void run() {
                    for (int j = 0; j < 1000; j++)
                        test.increase();
                };
            }.start();
        }

        while (Thread.activeCount() > 1) {
            // 保证前面的线程都执行完
            Thread.yield();
        }
        System.out.println(test.a);
    }
}

目的： 10个线程将inc加到10000。
结果： 每次运行，得到的结果都小于10000。
原因分析：

首先来看a++操作，其实包括三个操作：
  ①读取a=0;
  ②计算0+1=1;
  ③将1赋值给a;
保证a++的原子性，就是保证这三个操作在一个线程没有执行完之前，不能被其他线程执行。

一个可能的执行时序图如下：
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关键一步：线程2在读取a的值时，线程1还没有完成a=1的赋值操作，导致线程2读取到当前a=0，所以线程2的计算结果也是a=1。
问题在于没有保证a++操作的原子性。如果保证a++的原子性，线程1在执行完三个操作之前，线程2不能执行a++，那么就可以保证在线程2执行a++时，读取到a=1，从而得到正确的结果。
解决：
synchronized保证原子性，用synchronized修饰increase()方法。
CAS来实现原子性操作，AtomicInteger修饰变量a。

4. volatile实现原理

volatile保证有序性原理

前文介绍过，JMM通过插入内存屏障指令来禁止特定类型的重排序。
java编译器在生成字节码时，在volatile变量操作前后的指令序列中插入内存屏障来禁止特定类型的重排序。
volatile内存屏障插入策略：
在每个volatile写操作的前面插入一个StoreStore屏障。
在每个volatile写操作的后面插入一个StoreLoad屏障。
在每个volatile读操作的后面插入一个LoadLoad屏障。
在每个volatile读操作的后面插入一个LoadStore屏障。
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内存屏障

Store：数据对其他处理器可见（即：刷新到内存中）
Load：让缓存中的数据失效，重新从主内存加载数据

volatile保证可见性原理

volatile内存屏障插入策略中有一条，“在每个volatile写操作的后面插入一个StoreLoad屏障”。
StoreLoad屏障会生成一个Lock前缀的指令，Lock前缀的指令在多核处理器下会引发了两件事：

  1. 将当前处理器缓存行的数据写回到系统内存。
  2. 这个写回内存的操作会使在其他CPU里缓存了该内存地址的数据无效。
    volatile内存可见的写-读过程：
    volatile修饰的变量进行写操作。
    由于编译期间JMM插入一个StoreLoad内存屏障，JVM就会向处理器发送一条Lock前缀的指令。
    Lock前缀的指令将该变量所在缓存行的数据写回到主内存中，并使其他处理器中缓存了该变量内存地址的数据失效。
    当其他线程读取volatile修饰的变量时，本地内存中的缓存失效，就会到到主内存中读取最新的数据。

    总结

并发编程中，常用volatile修饰变量以保证变量的修改对其他线程可见。
volatile可以保证可见性和有序性，不能保证原子性。
volatile是通过插入内存屏障禁止重排序来保证可见性和有序性的。

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内容总结

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