Java Volatile关键字 - HelloWorld开发者社区

点击上方"码之初"关注，···选择"设为星标"

与Java精品技术文章不期而遇

Java Volatile关键字

你若盛开，蝴蝶自来

面试系列结束了，昨天的面试终结篇竟然意外的受到了许多乡亲们的表扬，做这个公众号以来，第一次收到那么多在看，竟然还有打赏，码之初何德何能，虽然是无心插柳，却承蒙乡亲们如此厚爱，荣幸之至之余又感到受宠若惊，我开始真正意识到我可能是在做一件有意义的事。

你若盛开，蝴蝶自来。你若精彩，天自安排。所以，我只能不断学习，提高自己技能的同时，也努力为乡亲们带来更好的内容，和大家一起进步、成长，希望能和乡亲们互相陪伴，一起见证彼此从发展到发光。

学无止境，善始善终

学无止境，一段旅程结束了，短暂的休整之后我们就要重新踏上征程。在做面试系列之前，码之初有两个未完的系列，一个是设计模式还有五六种没有更新完，一个是并发系列没有介绍完，做人要始终不渝，做事要善始善终，所以接下来的一段时间，码之初会将并发系列更新完，尽量在中间加一些有趣的内容，防止乡亲们觉得枯燥，弃我而去，哈哈。

Java volatile关键字用于将Java变量标记为“存储在主内存中”。更准确地说，这意味着每次对volatile变量的读取都将从计算机的主内存中读取，而不是从CPU缓存中读取，并且对volatile变量的每次写入都将被写入主内存中，而不仅是CPU缓存。

事实上，从Java 5开始，volatile关键字保证了volatile变量不仅仅是写入主内存或者是从主内存读取，我将从下面几个方面进行解释。

Java Volatile关键字

01、变量可见性问题

Java volatile关键字可确保跨线程更改变量的可见性。这听起来有点抽象，下面来详细说明。

在多线程应用中，线程对非易失性变量进行操作，出于性能方面的考虑，每个线程在进行操作时都可以将主内存中的变量复制到CPU缓存中。如果计算机包含多个CPU，则每个线程可能在不同的CPU上运行。这意味着，每个线程可以将变量复制到不同CPU的CPU缓存中。我们来看个例子：

Java Volatile关键字

对于非易失性变量，无法保证Java虚拟机（JVM）何时将数据从主存读取到CPU缓存，何时将数据从CPU缓存写入主存。这可能会导致一些问题，这些都将在下面一起解释。

设想一种情况，有两个或多个线程可以访问一个共享对象，该共享对象包含一个声明为以下内容的计数器变量：

public class SharedObject {

想象一下，只有线程1递增计数器变量，但线程1和线程2都可能时不时地读取计数器变量。

如果计数器变量未声明为volatile，则无法保证计数器变量的值何时从CPU缓存写入主内存。这意味着，CPU缓存中的计数器变量值可能与主内存中的不同。这种情况如下所示：

Java Volatile关键字

线程看不到变量的最新值，因为它还没有被另一个线程写回主内存的问题，称为“可见性”问题。 一个线程的更新对其他线程不可见。

Java Volatile关键字

02、Java volatile可见性保证

Java volatile关键字旨在解决变量可见性问题。通过声明计数器变量为volatile，所有对计数器变量的写操作将立即写回到主内存中。同样，计数器变量的所有读取将直接从主内存中读取。

我们对上面的计数器变量加上volatile关键字声明，像这样：

public class SharedObject {

因此，将变量声明为volatile可以保证对该变量的其他写入线程的可见性。

在上面给出的场景中，一个线程（T1）修改计数器，另一个线程（T2）读取计数器（但从不修改），声明计数器变量volatile足以保证T2对计数器变量的写入可见性。

但是，如果T1和T2都在递增计数器变量，那么声明计数器变量volatile是不够的，这个以后再说。

完全易失的可见性保****证（Full volatile Visibility Guarantee）

实际上，Java volatile的可见性保证超出了volatile变量本身。可见性保证如下：

如果线程A写入易失性变量，并且线程B随后读取相同的易失性变量，则在写入易失性变量之前线程A可见的所有变量在线程B读取易失性变量后也将可见。
如果线程A读取了易失性变量，则在读取易失性变量时线程A可见的所有所有变量也将从主内存中重新读取。

我用代码示例来说明这一点：

public class MyClass {

udpate（）方法写入三个变量，其中只有days是可变的。

完全易失的可见性保证意味着，当将值写入days时，线程可见的所有变量也将写入主内存。这意味着，当将值写入days时，years和months的值也将写入主内存中。

在读取years，months和days的值时，可以这样：

public class MyClass {

注意：totalDays（）方法首先将days的值读入total变量。当读取days的值时，months和years的值也会被读入主内存，因此，可以保证按照上述读取顺序查看days，months和years的最新值。

Java Volatile关键字

03、指令重排挑战性

出于性能原因，允许Java VM和CPU对程序中的指令进行重新排序，只要指令的语义含义保持相同即可。例如，看下面这个指令：

int a = 1;

这些指令可以重新排序为以下顺序，而不会丢失程序的语义：

int a = 1;

然而，当其中一个变量是volatile易失性变量时，指令重新排序是一个挑战。让我们看一下前面示例中的MyClass类：

public class MyClass {

update（）方法将值写入days后，新写入的years和months值也将写入主内存。但是，如果Java VM重新对指令进行排列，比如：

public void update(int years, int months, int days){

当days变量被修改时，months和years的值仍会写入主内存，但这次是在新值写入months和years之前发生的。因此，新值对其他线程来说是不可见的。重新排序的指令的语义已更改。

Java有解决此问题的方法，我们将在后面看到。

Java Volatile关键字

04、Java易失性发生之前保证

为了解决指令重新排序的难题，除了可见性保证之外，Java volatile关键字还提供易失性发生之前（“happens-before”）保证。发生之前保证保证了：

如果读/写最初发生在对volatile变量的写入之前，则不能将对其他变量的读/写重新排序为在对volatile变量的写入之后发生。在写入volatile变量之前的读/写保证在写入volatile变量之前“发生”。注意，例如，在对volatile的写操作之后的其他变量的读/写操作仍有可能在对volatile的写操作之前重新排序。但不是相反。允许从后到前，但不允许从前到后。
如果读取/写入最初发生在读取volatile变量之后，则不能将对其他变量的读取和写入重新排序为在读取volatile变量之前发生。注意，在volatile变量的读取之前发生的其他变量的读取可能会被重新排序为在volatile变量的读取之后发生。但不是相反。允许从前到后，但不允许从后到前。

上述“易失性发生之前（“happens-before”）确保强制执行volatile关键字的可见性保证。

05、声明volatile还不一定够

即使volatile关键字保证所有volatile变量的读取都直接从主存中读取，并且所有对volatile变量的写入都直接写入主存，但在某些情况下，声明变量volatile还不够。

在前面解释的只有线程1写入共享计数器变量的情况下，声明计数器变量为volatile，足以确保线程2始终看到最新的写入值。

实际上，如果写入变量的新值不依赖于先前的值，则多个线程甚至可能正在写入一个共享的volatile变量，并且仍将正确的值存储在主内存中。换句话说，如果线程首先将值写入共享的volatile变量，则不需要先读取其值即可找出下一个值。

一旦线程需要首先读取volatile变量的值，并基于该值为共享的volatile变量生成新值，则volatile变量将不再足以保证正确的可见性。读取volatile变量与写入新值之间的时间间隔很短，从而造成竞争状态，多个线程可能会读取volatile变量的同一个值，为该变量生成一个新值，并且在将该值写入主内存时 - 覆盖彼此的值。

多个线程递增同一个计数器的情况正是这样一种情况，即声明volatile变量还不够。下面将更详细地解释此案例。

想象一下，如果线程1将一个值为0的共享计数器变量读入其CPU高速缓存中，将其递增为1，而不是将更改后的值写回到主内存中。然后，线程2可以从主内存中（该变量的值仍为0）读取相同的计数器变量到其自己的CPU高速缓存中。然后线程2还可将计数器增加到1，并且也不会将其写回主内存。下图说明了这种情况：

Java Volatile关键字