Volatile的那些事

作者 : 开心源码 本文共4089个字,预计阅读时间需要11分钟 发布时间: 2022-05-14 共186人阅读

上一篇中,我们理解了Synchronized关键字,知道了它的基本使用方法,它的同步特性,知道了它与Java内存模型的关系,也明白了Synchronized可以保证“原子性”,“可见性”,“有序性”。今天我们来看看另外一个关键字Volatile,这也是极其重要的关键字之一。毫不夸张的说,面试的时候谈到Synchronized,必定会谈到Volatile。

一个小栗子

public class Main {    private static boolean isStop = false;    public static void main(String[] args) {        new Thread(() -> {            while (true) {                if (isStop) {                    System.out.println("结束");                    return;                }            }        }).start();        try {            TimeUnit.SECONDS.sleep(3);            isStop = true;        } catch (InterruptedException e) {            e.printStackTrace();        }    }}

首先定义了一个全局变量:isStop=false。而后在main方法里面开了一个线程,里面是一个死循环,当isStop=true,打印出一句话,结束循环。主线程睡了三秒钟,把isStop改为true。

按道理来说,3秒钟后,会打印出一句话,并且结束循环。但是,出人预料的事情发生了,等了很久,这句话迟迟没有出现,也没有结束循环。

这是为什么?这又和内存模型有关了,由此可见,内存模型是多么重要,不光是Synchronized,还是这次的Volatile都和内存模型有关。

问题分析

我们再来看看内存模型:

image.png

线程的共享数据是存放在主内存的,每个线程都有自己的本地内存,本地内存是线程独享的。当一个线程需要共享数据,是先去本地内存中查找,假如找到的话,就不会再去主内存中找了,需要修改共享数据的话,是先把主内存的共享数据复制一份到本地内存,而后在本地内存中修改,再把数据复制到主内存。

假如把这个搞明白了,就很容易了解为什么会产生上面的情况了:

isStop是共享数据,放在了主内存,子线程需要这个数据,就把数据复制到自己的本地内存,此时isStop=false,以后直接读取本地内存即可以。主线程修改了isStop,子线程是无感知的,还是去本地内存中取数据,得到的isStop还是false,所以就造成了上面的情况。

Volatile与可见性

如何处理这个问题呢,只要要给isStop加一个Volatile关键字:

public class Main {    private static volatile boolean isStop = false;    public static void main(String[] args) {        new Thread(() -> {            while (true) {                if (isStop) {                    System.out.println("结束");                    return;                }            }        }).start();        try {            TimeUnit.SECONDS.sleep(3);            isStop = true;        } catch (InterruptedException e) {            e.printStackTrace();        }    }}

运行,问题完美处理。

Volatile的作用:

  1. 当一个变量加了volatile关键字后,线程修改这个变量后,强制立即刷新会主内存。

  2. 假如其余线程的本地内存中有这个变量的副本,会强制把这个变量过期,下次就不能读取这个副本了,那么就只能去主内存取,拿到的数据就是最新的。

正是因为这两个起因,所以Volatile可以保证“可见性”

Volatile与有序性

指令重排的基本概念就不再阐述了,上两节内容已经详情了指令重排的基本概念。

指令重排遵守的happens-before规则,其中有一条规则,就是Volatile规则:

被Volatile标记的不允许指令重排。

所以,Volatile可以保证“有序性”。

那内部是如何禁止指令重排的呢?在指令中插入内存屏障

内存屏障有四种类型,如下所示:

image.png

在生成指令序列的时候,会根据具体情况插入不同的内存屏障。

总结下,Volatile可以保证“可见性”,“有序性”

Volatile与单例模式

public class Main {    private static Main main;    private Main() {    }    public static Main getInstance() {        if (main != null) {            synchronized (Main.class) {                if (main != null) {                    main = new Main();                }            }        }        return main;    }}

这里比较经典的单例模式,看上去没什么问题,线程安全,性能也不错,又是懒加载,这个单例模式还有一个响当当的名字:DCL

但是实际上,还是有点问题的,问题就出在

  main = new Main();

这又和内存模型有关系了。执行这个创立对象会有3个步骤:

  1. 分配内存
  2. 执行构造方法
  3. 指向地址

说明创立对象不是原子性操作,但是真正引起问题的是指令重排。先执行2,还是先执行3,在单线程中是无所谓的,但是在多线程中就不一样了。假如线程A先执行3,还没来记得及执行2,此时,有一个线程B进来了,发现main不为空了,直接返回main,而后使用返回出来的main,但是此时main还不是完整的,由于线程A还没有来得及执行构造方法。

所以单例模式得在定义变量的时候,加上Volatile,即:

public class Main {    private volatile static Main main;    private Main() {    }    public static Main getInstance() {        if (main != null) {            synchronized (Main.class) {                if (main != null) {                    main = new Main();                }            }        }        return main;    }}

这样即可以避免上面所述的问题了。

好了,这篇文章到这里主要内容就结束了,总结全文:Volatile可以保证“有序性”,“可见性”,但是无法保证“原子性”

题外话

嘿嘿,既然上面说的是主要内容结束了,就代表还有其余内容。

我们把文章开头的例子再次拿出来:

public class Main {    private static boolean isStop = false;    public static void main(String[] args) {        new Thread(() -> {            while (true) {                if (isStop) {                    System.out.println("结束");                    return;                }            }        }).start();        try {            TimeUnit.SECONDS.sleep(3);            isStop = true;        } catch (InterruptedException e) {            e.printStackTrace();        }    }}

假如既想让子线程结束,又不想加Volatile关键字怎样办?这真的可以做到吗?当然可以。

public class Main {    private static boolean isStop = false;    public static void main(String[] args) {        new Thread(() -> {            while (true) {                try {                    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);                } catch (InterruptedException e) {                    e.printStackTrace();                }                if (isStop) {                    System.out.println("结束");                    return;                }            }        }).start();        try {            TimeUnit.SECONDS.sleep(3);            isStop = true;        } catch (InterruptedException e) {            e.printStackTrace();        }    }}

在这里,我让子线程也睡了一秒,运行程序,发现子线程中止了。

public class Main {    private static boolean isStop = false;    public static void main(String[] args) {        new Thread(() -> {            while (true) {                System.out.println("Hello");                if (isStop) {                    System.out.println("结束");                    return;                }            }        }).start();        try {            TimeUnit.SECONDS.sleep(3);            isStop = true;        } catch (InterruptedException e) {            e.printStackTrace();        }    }}

我把上面的让子线程睡一秒钟的代码替换成 System.out.println,竟然也成功让子线程中止了。

public class Main {    private static boolean isStop = false;    public static void main(String[] args) {        new Thread(() -> {            while (true) {                Random random=new Random();                random.nextInt(150);                if (isStop) {                    System.out.println("结束");                    return;                }            }        }).start();        try {            TimeUnit.SECONDS.sleep(3);            isStop = true;        } catch (InterruptedException e) {            e.printStackTrace();        }    }}

这样也可以。

为什么呢?

由于JVM会尽力保证内存的可见性,即便这个变量没有加入Volatile关键字,主要CPU有时间,都会尽力保证拿到最新的数据。但是第一个例子中,CPU不停的在做着死循环,死循环内部就是判断isStop,没有时间去做其余的事情,但是只需给它一点机会,就像上面的 睡一秒钟,打印出一句话,生成一个随机数,这些操作都是比较耗时的,CPU即可能可以去拿到最新的数据了。不过和Volatile不同的是 Volatile是强制内存“可见性”,而这里是可能可以。

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