Java的volatile关键字

简要说明它的作用：

一：线程可见性

一个变量在某个线程里修改了它的值，如果使用了volatile关键字，那么别的线程可以马上读到修改后的值。

二：指令重排序

没加之前，指令是并发执行的，第一个线程执行到一半另一个线程可能开始执行了。加了volatile关键字后，不同线程是按照顺序一步一步执行的。

 

 

线程可见性原理

用volatile修饰的变量，线程在每次使用变量的时候，都会读取变量修改后的最的值。volatile很容易被误用，用来进行原子性操作。

 

如果要深入了解volatile关键字的作用，就必须先来了解一下JVM在运行时候的内存分配过程。

 

在 java 垃圾回收整理一文中，描述了jvm运行时刻内存的分配。其中有一个内存区域是jvm虚拟机栈，每一个线程运行时都有一个线程栈，

 

线程栈保存了线程运行时候变量值信息。当线程访问某一个对象时候值的时候，首先通过对象的引用找到对应在堆内存的变量的值，然后把堆内存

 

变量的具体值load到线程本地内存中，建立一个变量副本，之后线程就不再和对象在堆内存变量值有任何关系，而是直接修改副本变量的值，

 

在修改完之后的某一个时刻（线程退出之前），自动把线程变量副本的值回写到对象在堆中变量。这样在堆中的对象的值就产生变化了。下面一幅图

 

描述这写交互！

 

 

 

那么在了解完JVM在运行时候的内存分配过程以后，我们开始真正深入的讨论volatile的具体作用

请看代码:

 

 1 public class VolatileTest extends Thread {
 2     
 3     boolean flag = false;
 4     int i = 0;
 5     
 6     public void run() {
 7         while (!flag) {
 8             i++;
 9         }
10     }
11     
12     public static void main(String[] args) throws Exception {
13         VolatileTest vt = new VolatileTest();
14         vt.start();
15         Thread.sleep(2000);
16         vt.flag = true;
17         System.out.println("stope" + vt.i);
18     }
19 }

 

上面的代码是通过标记flag来控制VolatileTest线程while循环退出的例子!

下面让我用伪代码来描述一下我们的程序

• 首先创建 VolatileTest vt = new VolatileTest();
• 然后启动线程 vt.start();
• 暂停主线程2秒（Main） Thread.sleep(2000);
• 这时的vt线程已经开始执行，进行i++;
• 主线程暂停2秒结束以后将 vt.flag = true;
• 打印语句 System.out.println("stope" + vt.i); 在此同时由于vt.flag被设置为true,所以vt线程在进行下一次while判断 while (!flag) 返回假 结束循环 vt线程方法结束退出！
• 主线程结束

上面的叙述看似并没有什么问题，“似乎”完全正确。那就让我们把程序运行起来看看效果吧，执行mian方法。2秒钟以后控制台打印stope-202753974。

可是奇怪的事情发生了 程序并没有退出。vt线程仍然在运行，也就是说我们在主线程设置的 vt.flag = true;没有起作用。

 

在这里我需要说明一下，有的同学可能在测试上面代码的时候程序可以正常退出。那是因为你的JVM没有优化造成的！在DOC下面输入 java -version 查看 如果显示Java HotSpot(TM) ... Server 则JVM会进行优化。

如果显示Java HotSpot(TM) ... Client 为客户端模式，需要设置成Server模式  设置方法问Google

 

 

 

问题出现了，为什么我在主线程（main）中设置了vt.flag = true; 而vt线程在进行判断flag的时候拿到的仍然是false?

 那么按照我们上面所讲的 “JVM在运行时候的内存分配过程” 就很好解释上面的问题了。

 首先 vt线程在运行的时候会把 变量 flag 与 i (代码3,4行)从“主内存”  拷贝到 线程栈内存（上图的线程工作内存）

 然后 vt线程开始执行while循环 

 

 7         while (!flag) {
 8             i++;
 9         }

while (!flag)进行判断的flag 是在线程工作内存当中获取，而不是从 “主内存”中获取。

i++; 将线程内存中的i++; 加完以后将结果写回至 "主内存"，如此重复。

 

然后再说说主线程的执行过程。 我只说明关键的地方 

vt.flag = true;

主线程将vt.flag的值同样 从主内存中拷贝到自己的线程工作内存 然后修改flag=true. 然后再将新值回到主内存。

这就解释了为什么在主线程（main）中设置了vt.flag = true; 而vt线程在进行判断flag的时候拿到的仍然是false。那就是因为vt线程每次判断flag标记的时候是从它自己的“工作内存中”取值，而并非从主内存中取值！

这也是JVM为了提供性能而做的优化。那我们如何能让vt线程每次判断flag的时候都强制它去主内存中取值呢。这就是volatile关键字的作用。

再次修改我们的代码

public class VolatileTest extends Thread {
    
    volatile boolean flag = false;
    int i = 0;
    
    public void run() {
        while (!flag) {
            i++;
        }
    }
    
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        VolatileTest vt = new VolatileTest();
        vt.start();
        Thread.sleep(2000);
        vt.flag = true;
        System.out.println("stope" + vt.i);
    }
}

指令重排序原理

计算机在执行程序时，为了提高性能，编译器和处理器常常会对指令重排，一般分为以下三种：

源代码 -> 编译器优化的重排 -> 指令并行的重排 -> 内存系统的重排 -> 最终执行指令

单线程环境里面确保最终执行结果和代码顺序的结果一致

处理器在进行重排序时，必须要考虑指令之间的数据依赖性

多线程环境中线程交替执行，由于编译器优化重排的存在，两个线程中使用的变量能否保证一致性是无法确定的，结果无法预测。

 

Volatile实现禁止指令重排优化，从而避免了多线程环境下程序出现乱序执行的现象

首先了解一个概念，内存屏障（Memory Barrier）又称内存栅栏，是一个CPU指令，它的作用有两个：

• 保证特定操作的顺序
• 保证某些变量的内存可见性（利用该特性实现volatile的内存可见性）

由于编译器和处理器都能执行指令重排的优化，如果在指令间插入一条Memory Barrier则会告诉编译器和CPU，不管什么指令都不能和这条Memory Barrier指令重排序，也就是说 通过插入内存屏障禁止在内存屏障前后的指令执行重排序优化。 内存屏障另外一个作用是刷新出各种CPU的缓存数，因此任何CPU上的线程都能读取到这些数据的最新版本。

也就是过在Volatile的写 和 读的时候，加入屏障，防止出现指令重排的

屏障类型	指令示例	说明
LoadLoad	Load1;LoadLoad;Load2	保证Load1的读取操作在Load2及后续读取操作之前执行
StoreStore	Store1;StoreStore;Store2	在Store2及其后的写操作执行前，保证Store1的写操作已刷新到主内存
LoadStore	Load1;LoadStore;Store2	在Store2及其后的写操作执行前，保证Load1的读操作已读取结束
StoreLoad	Store1;StoreLoad;Load2	保证load1的写操作已刷新到主内存之后，load2及其后的读操作才能执行

工作内存与主内存同步延迟现象导致的可见性问题

• 可通过synchronized或volatile关键字解决，他们都可以使一个线程修改后的变量立即对其它线程可见

对于指令重排导致的可见性问题和有序性问题

• 可以使用volatile关键字解决，因为volatile关键字的另一个作用就是禁止重排序优化

 

部分来源于：https://www.cnblogs.com/bbgs-xc/p/12731769.html和https://www.cnblogs.com/daxin/p/3364014.html