java volatile关键字解析

volatile是什么

　　volatile在java语言中是一个关键字，用于修饰变量。被volatile修饰的变量后，表示这个变量在不同线程中是共享，编译器与运行时都会注意到这个变量是共享的，因此不会对该变量进行重排序。上面这句话可能不好理解，但是存在两个关键，共享和重排序。

变量的共享

先来看一个被举烂了的例子:

public class VolatileTest {

    boolean isStop = false;

    public void test() {
        Thread t1 = new Thread() {
            @Override
            public void run() {
                isStop = true;
            }
        };
        Thread t2 = new Thread() {
            @Override
            public void run() {
                while (!isStop) {
                }
            }
        };
        t2.start();
        t1.start();
    }

    public static void main(String args[]) throws InterruptedException {
        new VolatileTest().test();
    }
}

（注：线程2中，while内容里如果写个System.out.prientln(""),导致循环退出，目前没明白什么原因。）

 

　　上面的代码是一种典型用法，检查某个标记（isStop）的状态判断是否退出循环。但是上面的代码有可能会结束，也可能永远不会结束。因为每一个线程都拥有自己的工作内存，当一个线程读取变量的时候，会把变量在自己内存中拷贝一份。之后访问该变量的时候都通过访问线程的工作内存，如果修改该变量，则将工作内存中的变量修改，然后再更新到主存上。这种机制让程序可以更快的运行，然而也会遇到像上述例子这样的情况。

　　存在一种情况，isStop变量被分别拷贝到t1、t2两个线程中，此时isStop为false。t2开始循环，t1修改本地isStop变量称为true，并将isStop=true回写到主存，但是isStop已经在t2线程中拷贝过一份，t2循环时候读取的是t2 工作内存中的isStop变量，而这个isStop始终是false，程序死循环。我们称t2对t1更新isStop变量的行为是不可见的。

　　如果isStop变量通过volatile进行修饰，t2修改isStop变量后，会立即将变量回写到主存中，并将t1里的isStop失效。t1发现自己变量失效后，会重新去主存中访问isStop变量，而此时的isStop变量已经变成true。循环退出。

　　

volatile boolean isStop = false;

 

代码的重排序

再来看一个被举烂了的例子:

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

　　　　（注：感觉很难模拟，我没能模拟出来，也没找到他人的模拟结果）

 

　　如上代码示例，按照正常的想法，context初始化后，再把inited赋值为true。但是有可能有语句2先执行，再执行语句1的情况。导致线程2中doSomeThingWithConfig报错。因为jvm对代码进行编译的时候会进行指令优化，调整互不关联的两行代码执行顺序，在单线程的时候，指令优化会保证优化后的结果不会出错。但是在多线程的时候，可能发生像上述例子里的问题。如果上述的inited用volatile修饰，就不会有问题。

　　《深入理解Java虚拟机》中有一句话：“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前缀指令生成一个内存屏障。保证重排序后的指令不会越过内存屏障，即volatile之前的代码只会在volatile之前执行，volaiter之后的代码只会在volatile之后执行。

 

　　

volatile怎么用

　　volatile关键字一般用于标记变量的修饰，类似上述例子。《Java并发编程实战》中说，volatile只保证可见性，而加锁机制既可以确保可见性又可以确保原子性。当且仅当满足以下条件下，才应该使用volatile变量：

1、对变量的写入操作不依赖变量的当前值，或者确保只有单个线程变更变量的值。

2、该变量不会于其他状态一起纳入不变性条件中

3、在访问变量的时候不需要加锁。

 

　　逐一分析：

　　第一条说明volatile不能作为多线程中的计数器，计数器的count++操作，分为三步，第一步先读取count的数值，第二步count+1，第三步将count+1的结果写入count。volatile不能保证操作的原子性。上述的三步操作中，如果有其他线程对count进行操作，就可能导致数据出错。

 

　　第二条：

public class VolatileTest {


    private volatile int lower = 0;
    private volatile int upper = 5;

    public int getLower() {
        return lower;
    }

    public int getUpper() {
        return upper;
    }

    public void setLower(int lower) {
        if (lower > upper) {
            return;
        }
        this.lower = lower;
    }

    public void setUpper(int upper) {
        if (upper < lower) {
            return;
        }
        this.upper = upper;
    }
}

　　　　上述程序中，lower初始为0,upper初始为5，并且upper和lower都用volatile修饰。我们期望不管怎么修改upper或者lower，都能保证upper>lower恒成立。然而如果同时有两个线程，t1调用setLower，t2调用setUpper，两线程同时执行的时候。有可能会产生upper<lower这种不期望的结果。

　　　　测试代码：

public void test() {
        Thread t1 = new Thread() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    Thread.sleep(10);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                setLower(4);
            }
        };
        Thread t2 = new Thread() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    Thread.sleep(10);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                setUpper(3);
            }
        };

        t1.start();
        t2.start();

        while (t1.isAlive() || t2.isAlive()) {

        }
        System.out.println("(low:" + getLower() + ",upper:" + getUpper() + ")");

    }

    public static void main(String args[]) throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            VolatileTest volaitil = new VolatileTest();
            volaitil.test();
        }
    }

 　　

　　　　　　输出结果：

　　

 

　　此时程序一直正常运行，但是出现的结果却是我们不想要的。

 

 

　　第三条：当访问一个变量需要加锁时，一般认为这个变量需要保证原子性和可见性，而volatile关键字只能保证变量的可见性，无法保证原子性。

 

 

　　最后贴个volatile的常见例子，在单例模式双重检查中的使用：

　　

public class Singleton {

    private static volatile Singleton instance=null;

    private Singleton(){
    }

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

}

　　new Singleton()分为三步,1、分配内存空间，2、初始化对象，3、设置instance指向被分配的地址。然而指令的重新排序，可能优化指令为1、3、2的顺序。如果是单个线程访问，不会有任何问题。但是如果两个线程同时获取getInstance，其中一个线程执行完1和3步骤，此时其他的线程可以获取到instance的地址，在进行if(instance==null)时，判断出来的结果为false，导致其他线程直接获取到了一个未进行初始化的instance，这可能导致程序的出错。所以用volatile修饰instance，禁止指令的重排序，保证程序能正常运行。（Bug很难出现，没能模拟出来）。

　　然而，《java并发编程实战中》中有对DCL的描述如下："DCL的这种使用方法已经被广泛废弃了——促使该模式出现的驱动力（无竞争同步的执行速度很慢，以及JVM启动很慢）已经不复存在了，因而它不是一种高效的优化措施。延迟初始化占位类模式能带来同样的优势，并且更容易理解。"，其实我个小码畜的角度来看，服务端的单例更多时候做延迟初始化并没有很大意义，延迟初始化一般用来针对高开销的操作，并且被延迟初始化的对象都是不需要马上使用到的。然而，服务端的单例在大部分的时候，被设计为单例的类大部分都会被系统很快访问到。本篇文章只是讨论volatile，并不针对设计模式进行讨论，因此后续有时间，再补上替代上述单例的写法。

 

 

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