自顶向下彻底理解 Java 中的 volatile 关键字
内容导读
互联网集市收集整理的这篇技术教程文章主要介绍了自顶向下彻底理解 Java 中的 volatile 关键字，小编现在分享给大家，供广大互联网技能从业者学习和参考。文章包含5249字，纯文字阅读大概需要8分钟。
内容图文
标题 neta 自《计算机网络自顶向下》
思维导图
volatile 在 Java 中被称为轻量级 synchronized。很多并发专家引导用户远离 volatile 变量，因为使用它们要比使用锁更加容易出错。但是如果理解了 volatile 能帮助你写出更好的程序。
- 当读比写更多时会获得比锁好相当多的性能
- 比锁更好的伸缩性
- 比锁使用方便，只需要声明变量即可，代码量小
内存语义
volatile 的讲解
为了方便理解 volatile，用代码来表示一下加了 volatile 的效果。
给变量加上 volatile 相当于在 get 和 set 方法中加了锁。
public synchronized int getX() {
return x;
}
public synchronized void setX(int x) {
this.x = x;
}注意这里只保证了get 和 set 的原子性，当有其他操作的时候就不是原子性的了。
下面的操作不是原子性的，当个 5 个线程同时执行这个方法 100 次后出现的结果很可能小于 500。
volatile int x;
public void inc() {
x++;
}原因是这个程序相当于
int x;
public synchronized int getX() {
return x;
}
public synchronized void setX(int x) {
this.x = x;
}
public void inc() {
int temp = getX(); // 1
temp += 1; // 2
setX(temp); // 3
}可以看出即使 get 和 set 操作是原子性的，整个操作也不是原子性的。
当两个线程 A ， B 同时执行 inc时，可能会出现
A-1 得到 x = 1
B-1 得到 x = 1
A-2 temp 为 2
B-2 temp 为 2
A-3 x 被设为 2
B-3 x 被设为 2
在执行完毕后 x 的值只增加了 1。
原子性和可见性
我们在 JMM 中讲解 volatile 的内存语义。可以参照着这篇看。JVM内存模型、指令重排、内存屏障概念解析
volatile 保证了新的值能立刻同步到主内存中，以及每次使用前都到主内存刷新。
volatile 通过在写入变量的时候，JVM 会向 CPU 发送一个 lock 前缀指令将变量同步入主内存
而当出现了这个命令以后，所有其他线程上的缓存就会被强制设置成无效，当下次要用到这个变量的时候需要去主内存中取。
通过 Lock 指令
每次使用变量之前都必须先从主内存刷新最新的值。
每次修改变量后都必须立即同步回主内存中，保证其他线程可以看到最新的值。
一个比较有用的抽象：把加了 volatile 的变量当作是没有中间的缓存，所有的数据操作都是在主内存上的。
禁止指令重排
CPU 和编译器为了执行效率，会将指令重排序。如果不知道的可以参照上面那一片博文来对照着读。
volatile 修饰变量不会被指令重排优化，保证代码执行顺序和程序顺序相同。
在几个地方会插入 StoreStore 和 StoreLoad 阻止重排序。
- 在 volatile 写前插入 StoreStore 屏障，写后插入 StoreLoad 屏障
- 在 volatile 读前插入 LoadLoad 屏障，读后插入 LoadStore 屏障
如果不知道这两个指令可以看一下上面的博客。 // TODO 马上写完 (咕咕咕
正确的使用 volatile
正确使用 volatile 依赖于
- 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
模式 #1：状态标志
也许实现 volatile 变量的规范使用仅仅是使用一个布尔状态标志，用于指示发生了一个重要的一次性事件，比如游戏结束，将游戏正在进行的 flag 设置为 false，通知绘图线程停止。
volatile boolean flag = false;
private void waiting() {
while(!flag) {
// do something
}
}模式 #2：一次性安全发布
一次性安全分布用于双重检查实现单例模式。
private volatile SingleTest instance;
SingleTest getInstance() {
if (instance == null) {
synchronized (SingleTest.class) {
if (instance == null) {
instance = new SingleTest();
}
}
}
return instance;
}为什么要用到 volatile 呢？因为新建类分为三步
- 分配内存空间
- 初始化对象
- 设置内存地址，初始化引用
在这里第二步可能重排序，这时候可能会将没有初始化成功就把对象发布出去了，所以需要 volatile 来阻止指令重排。
模式 #3：独立观察
安全使用 volatile 的另一种简单模式是：定期 “发布” 观察结果供程序内部使用。例如，假设有一种环境传感器能够感觉环境温度。一个后台线程可能会每隔几秒读取一次该传感器，并更新包含当前文档的 volatile 变量。然后，其他线程可以读取这个变量，从而随时能够看到最新的温度值。
使用该模式的另一种应用程序就是收集程序的统计信息。清单 4 展示了身份验证机制如何记忆最近一次登录的用户的名字。将反复使用 lastUser 引用来发布值，以供程序的其他部分使用。
该模式是前面模式的扩展；将某个值发布以在程序内的其他地方使用，但是与一次性事件的发布不同，这是一系列独立事件。这个模式要求被发布的值是有效不可变的 —— 即值的状态在发布后不会更改。使用该值的代码需要清楚该值可能随时发生变化。
模式 #4：volatile bean 模式
volatile bean 是线程安全的。在 volatile bean 模式中，JavaBean 被用作一组具有 getter 和/或 setter 方法 的独立属性的容器。
在 volatile bean 模式中，
- JavaBean 的所有数据成员都是 volatile 类型的
- 并且 getter 和 setter 方法除了获取或设置相应的属性外，不能包含任何逻辑。、
- 此外，对于对象引用的数据成员，引用的对象必须是有效不可变的。（这将禁止具有数组值的属性，因为当数组引用被声明为
volatile时，只有引用而不是数组本身具有 volatile 语义）
@ThreadSafe
public class Person {
private volatile String firstName;
private volatile String lastName;
private volatile int age;
public String getFirstName() { return firstName; }
public String getLastName() { return lastName; }
public int getAge() { return age; }
public void setFirstName(String firstName) {
this.firstName = firstName;
}
public void setLastName(String lastName) {
this.lastName = lastName;
}
public void setAge(int age) {
this.age = age;
}
}对于 volatile 的优化
在 JDK 7 并发包里新增了一个队列集合 LinkedTransferQueue，它在使用 volatile 变量时，用一种追加字节的方式来优化出队和入队的性能。
它将变量追加到了 64 字节来提高性能。
64 位 CPU 在队列中的元素不足 64 个字节时会将多个元素读入一个缓存行中，在多线程当读取一个元素的时候会锁住这个缓存行，进而导致这个元素附近的元素都不能被读取。
如果一个变量为 64 字节，那么每个元素都被读入不同的缓存中，相邻队列元素就能被不同线程同时访问了。
参考文献
- 周志明. 深入理解 Java 虚拟机 [M]. 机械工业出版社, 2011.
- 方腾飞.Java 并发编程的艺术 [M]. 机械工业出版社, 2015.
- 正确使用 Volatile 变量
- JVM内存模型、指令重排、内存屏障概念解析
内容总结
以上是互联网集市为您收集整理的自顶向下彻底理解 Java 中的 volatile 关键字全部内容，希望文章能够帮你解决自顶向下彻底理解 Java 中的 volatile 关键字所遇到的程序开发问题。 如果觉得互联网集市技术教程内容还不错，欢迎将互联网集市网站推荐给程序员好友。
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