站長資訊網本篇文章給大家帶來了關于java的相關知識，其中主要整理了volatile的相關問題，包括了volatile保證可見性、volatile不保證原子性、volatile禁止指令重排等等內容，下面一起來看一下，希望對大家有幫助。
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問：請談談你對volatile的理解？
答：volatile是Java虛擬機提供的輕量級的同步機制，它有３個特性：
１）保證可見性
２）不保證原子性
３）禁止指令重排
剛學完java基礎，如果有人問你什么是volatile？它有什么作用的話，相信一定非常懵逼…
可能看了答案，也完全不明白，什么是同步機制？什么是可見性？什么是原子性？什么是指令重排？
1、volatile保證可見性
1.1、什么是JMM模型？
要想理解什么是可見性，首先要先理解JMM。
JMM（Java內存模型，Java Memory Model）本身是一種抽象的概念，并不真實存在。它描述的是一組規則或規范，通過這組規范，定了程序中各個變量的訪問方法。JMM關于同步的規定：
１）線程解鎖前，必須把共享變量的值刷新回主內存；
２）線程加鎖前，必須讀取主內存的最新值到自己的工作內存；
３）加鎖解鎖是同一把鎖；
由于JVM運行程序的實體是線程，創建每個線程時，JMM會為其創建一個工作內存（有些地方稱為棧空間），工作內存是每個線程的私有數據區域。
Java內存模型規定所有變量都存儲在主內存，主內存是共享內存區域，所有線程都可以訪問。
但線程對變量的操作（讀取、賦值等）必須在工作內存中進行。因此首先要將變量從主內存拷貝到自己的工作內存，然后對變量進行操作，操作完成后再將變量寫會主內存中。
看了上面對JMM的介紹，可能還是優點懵，接下來用一個賣票系統來進行舉例：
１）如下圖，此時賣票系統后端只剩下１張票，并已讀入主內存中：ticketNum=1。
２）此時網絡上有多個用戶都在搶票，那么此時就有多個線程同時都在進行買票服務，假設此時有３個線程都讀入了目前的票數：ticketNum=1，那么接著就會買票。
３）假設線程１先搶占到cpu的資源，先買好票，并在自己的工作內存中將ticketNum的值改為０：ticketNum=0，然后再寫回到主內存中。
此時，線程１的用戶已經買到票了，那么線程２，線程３此時應該不能再繼續買票了，因此需要系統通知線程２，線程３，ticketNum此時已經等于０了：ticketNum=0。如果有這樣的通知操作，你就可以理解為就具有可見性。
通過上面對JMM的介紹和舉例，可以簡單總結下。
JMM內存模型的可見性是指，多線程訪問主內存的某一個資源時，如果某一個線程在自己的工作內存中修改了該資源，并寫回主內存，那么JMM內存模型應該要通知其他線程來從新獲取最新的資源，來保證最新資源的可見性。
1.2、volatile保證可見性的代碼驗證
在1.1中，已經基本理解了可見性的含義，接下來用代碼來驗證一下，volatile確實可以保證可見性。
1.2.1、無可見性代碼驗證
首先先驗證下，不使用volatile，是不是就是沒有可見性。
package com.koping.test;import java.util.concurrent.TimeUnit;class MyData{ int number = 0; public void add10() { this.number += 10; }}public class VolatileVisibilityDemo { public static void main(String[] args) { MyData myData = new MyData(); // 啟動一個線程修改myData的number，將number的值加10 new Thread( () -> { System.out.println("線程" + Thread.currentThread().getName()+"t 正在執行"); try{ TimeUnit.SECONDS.sleep(3); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } myData.add10(); System.out.println("線程" + Thread.currentThread().getName()+"t 更新后，number的值為" + myData.number); } ).start(); // 看一下主線程能否保持可見性 while (myData.number == 0) { // 當上面的線程將number加10后，如果有可見性的話，那么就會跳出循環； // 如果沒有可見性的話，就會一直在循環里執行 } System.out.println("具有可見性！"); }}
運行結果如下圖，可以看到雖然線程0已經將number的值改為了10，但是主線程還是在循環中，因為此時number不具有可見性，系統不會主動通知。
1.2.1、volatile保證可見性驗證
在上面代碼的第7行給變量number添加volatile后再次測試，如下圖，此時主線程成功退出了循環，因為JMM主動通知了主線程更新number的值了，number已經不為０了。
2、volatile不保證原子性
2.1 什么是原子性？
理解了上面說的可見性之后，再來理解下什么叫原子性？
原子性是指不可分隔，完整性，即某個線程正在做某個業務時，中間不能被分割。要么同時成功，要么同時失敗。
還是有點抽象，接下來舉個例子。
如下圖，創建了一個測試原子性的類：TestPragma。在add方法中將n加１，通過查看編譯后的代碼可以看到，n++被拆分為３個指令進行執行。
因此可能存在線程１正在執行第１個指令，緊接著線程２也正在執行第１個指令，這樣當線程１和線程２都執行完３個指令之后，很容易理解，此時n的值只加了１，而實際是有２個線程加了２次，因此這種情況就是不保證原子性。
2.2 不保證原子性的代碼驗證
在2.1中已經進行了舉例，可能存在２個線程執行n++的操作，但是最終n的值卻只加了１的情況，接下來對這種情況再用代碼進行演示下。
首先給MyData類添加一個add方法
package com.koping.test;class MyData { volatile int number = 0; public void add() { number++; }}
然后創建測試原子性的類：TestPragmaDemo。測試下20個線程給number各加1000次之后，number的值是否是20000。
package com.koping.test;public class TestPragmaDemo { public static void main(String[] args) { MyData myData = new MyData(); // 啟動20個線程，每個線程將myData的number值加1000次，那么理論上number值最終是20000 for (int i=0; i<20; i++) { new Thread(() -> { for (int j=0; j<1000; j++) { myData.add(); } }).start(); } // 程序運行時，模型會有主線程和守護線程。如果超過２個，那就說明上面的２０個線程還有沒執行完的，就需要等待 while (Thread.activeCount()>2){ Thread.yield(); } System.out.println("number值加了20000次，此時number的實際值是：" + myData.number); }}
運行結果如下圖，最終number的值僅為18410。
可以看到即使加了volatile，依然不保證有原子性。
2.3 volatile不保證原子性的解決方法
上面介紹并證明了volatile不保證原子性，那如果希望保證原子性，怎么辦呢？以下提供了２種方法
2.3.1 方法１：使用synchronized
方法1是在add方法上添加synchronized，這樣每次只有１個線程能執行add方法。
結果如下圖，最終確實可以使number的值為20000，保證了原子性。
但是，實際業務邏輯方法中不可能只有只有number++這１行代碼，上面可能還有n行代碼邏輯。現在為了保證number的值是20000，就把整個方法都加鎖了（其實另外那n行代碼，完全可以由多線程同時執行的）。所以就優點殺雞用牛刀，高射炮打蚊子，小題大做了。
package com.koping.test;class MyData { volatile int number = 0; public synchronized void add() { // 在n++上面可能還有n行代碼進行邏輯處理 number++; }}
2.3.2 方法１：使用JUC包下的AtomicInteger
給MyData新曾一個原子整型類型的變量num，初始值為0。
package com.koping.test;import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;class MyData { volatile int number = 0; volatile AtomicInteger num = new AtomicInteger(); public void add() { // 在n++上面可能還有n行代碼進行邏輯處理 number++; num.getAndIncrement(); }}
讓num也同步加20000次。結果如下圖，可以看到，使用原子整型的num可以保證原子性，也就是number++的時候不會被搶斷。
package com.koping.test;public class TestPragmaDemo { public static void main(String[] args) { MyData myData = new MyData(); // 啟動20個線程，每個線程將myData的number值加1000次，那么理論上number值最終是20000 for (int i=0; i<20; i++) { new Thread(() -> { for (int j=0; j<1000; j++) { myData.add(); } }).start(); } // 程序運行時，模型會有主線程和守護線程。如果超過２個，那就說明上面的２０個線程還有沒執行完的，就需要等待 while (Thread.activeCount()>2){ Thread.yield(); } System.out.println("number值加了20000次，此時number的實際值是：" + myData.number); System.out.println("num值加了20000次，此時number的實際值是：" + myData.num); }}
3、volatile禁止指令重排
3.1 什么是指令重排？
在第2節中理解了什么是原子性，現在要理解下什么是指令重排？
計算機在執行程序時，為了提高性能，編譯器和處理器常常會對指令進行重排：
源代碼–>編譯器優化重排–>指令并行重排–>內存系統重排–>最終執行指令
處理器在進行重排時，必須要考慮指令之間的數據依賴性。
單線程環境中，可以確保最終執行結果和代碼順序執行的結果一致。
但是多線程環境中，線程交替執行，由于編譯器優化重排的存在，兩個線程使用的變量能否保持一致性是無法確定的，結果無法預測。
看了上面的文字性表達，然后看一個很簡單的例子。
比如下面的mySort方法，在系統指令重排后，可能存在以下３種語句的執行情況：
１）1234
２）2134
３）1324
以上這３種重排結果，對最后程序的結果都不會有影響，也考慮了指令之間的數據依賴性。
public void mySort() { int x = 1; // 語句1 int y = 2; // 語句2 x = x + 3; // 語句3 y = x * x; // 語句4}
3.2 單線程單例模式
看完指令重排的簡單介紹后，然后來看下單例模式的代碼。
package com.koping.test;public class SingletonDemo { private static SingletonDemo instance = null; private SingletonDemo() { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "t 執行構造方法SingletonDemo()"); } public static SingletonDemo getInstance() { if (instance == null) { instance = new SingletonDemo(); } return instance; } public static void main(String[] args) { // 單線程測試 System.out.println("單線程的情況測試開始"); System.out.println(SingletonDemo.getInstance() == SingletonDemo.getInstance()); System.out.println(SingletonDemo.getInstance() == SingletonDemo.getInstance()); System.out.println("單線程的情況測試結束n"); }}
首先是在單線程情況下進行測試，結果如下圖。可以看到，構造方法只執行了一次，是沒有問題的。
3.3 多線程單例模式
接下來在多線程情況下進行測試，代碼如下。
package com.koping.test;public class SingletonDemo { private static SingletonDemo instance = null; private SingletonDemo() { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "t 執行構造方法SingletonDemo()"); } public static SingletonDemo getInstance() { if (instance == null) { instance = new SingletonDemo(); } // DCL(Double Check Lock雙端檢索機制)// if (instance == null) {// synchronized (SingletonDemo.class) {// if (instance == null) {// instance = new SingletonDemo();// }// }// } return instance; } public static void main(String[] args) { // 單線程測試// System.out.println("單線程的情況測試開始");// System.out.println(SingletonDemo.getInstance() == SingletonDemo.getInstance());// System.out.println(SingletonDemo.getInstance() == SingletonDemo.getInstance());// System.out.println("單線程的情況測試結束n"); // 多線程測試 System.out.println("多線程的情況測試開始"); for (int i=1; i<=10; i++) { new Thread(() -> { SingletonDemo.getInstance(); }, String.valueOf(i)).start(); } }}
在多線程情況下的運行結果如下圖。可以看到，多線程情況下，出現了構造方法執行了２次的情況。
3.4 多線程單例模式改進：DCL
在3.3中的多線程單里模式下，構造方法執行了兩次，因此需要進行改進，這里使用雙端檢鎖機制：Double Check Lock, DCL。即加鎖之前和之后都進行檢查。
package com.koping.test;public class SingletonDemo { private static SingletonDemo instance = null; private SingletonDemo() { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "t 執行構造方法SingletonDemo()"); } public static SingletonDemo getInstance() {// if (instance == null) {// instance = new SingletonDemo();// } // DCL(Double Check Lock雙端檢鎖機制) if (instance == null) { // a行 synchronized (SingletonDemo.class) { if (instance == null) { // b行 instance = new SingletonDemo(); // c行 } } } return instance; } public static void main(String[] args) { // 單線程測試// System.out.println("單線程的情況測試開始");// System.out.println(SingletonDemo.getInstance() == SingletonDemo.getInstance());// System.out.println(SingletonDemo.getInstance() == SingletonDemo.getInstance());// System.out.println("單線程的情況測試結束n"); // 多線程測試 System.out.println("多線程的情況測試開始"); for (int i=1; i<=10; i++) { new Thread(() -> { SingletonDemo.getInstance(); }, String.valueOf(i)).start(); } }}
在多次運行后，可以看到，在多線程情況下，此時構造方法也只執行１次了。
3.5 多線程單例模式改進，DCL版存在的問題
需要注意的是3.4中的DCL版的單例模式依然不是100%準確的！！！
是不是不太明白為什么3.4DCL版單例模式不是100%準確的原因？
是不是不太明白在3.1講完指令重排的簡單理解后，為什么突然要講多線程的單例模式？
因為3.4DCL版單例模式可能會由于指令重排而導致問題，雖然該問題出現的可能性可能是千萬分之一，但是該代碼依然不是100%準確的。如果要保證100%準確，那么需要添加volatile關鍵字，添加volatile可以禁止指令重排。
接下來分析下，為什么3.4DCL版單例模式不是100%準確？
查看instance = new SingletonDemo();編譯后的指令，可以分為以下３步：
１）分配對象內存空間：memory = allocate();
２）初始化對象：instance(memory);
３）設置instance指向分配的內存地址：instance = memory;
由于步驟２和步驟３不存在數據依賴關系，因此可能出現執行132步驟的情況。
比如線程1執行了步驟13，還沒有執行步驟2，此時instance!=null，但是對象還沒有初始化完成；
如果此時線程2搶占到cpu，然后發現instance!=null，然后直接返回使用，就會發現instance為空，就會出現異常。
這就是指令重排可能導致的問題，因此要想保證程序100%正確就需要加volatile禁止指令重排。
3.6 volatile保證禁止指令重排的原理
在3.1中簡單介紹了下執行重排的含義，然后通過3.2-3.5，借助單例模式來舉例說明多線程情況下，為什么要使用volatile的原因，因為可能存在指令重排導致程序異常。
接下來就介紹下volatile能保證禁止指令重排的原理。
首先要了解一個概念：內存屏障（Memory Barrier），又稱為內存柵欄。它是一個CPU指令，有２個作用：
１）保證特定操作的執行順序；
２）保證某些變量的內存可見性；
由于編譯器和處理器都能執行指令重排。如果在指令之間插入一條Memory Barrier則會告訴編譯器和CPU，不管什么指令都不能和這條Memory Barrier指令重排序，也就是說，通過插入內存屏障，禁止在內存屏障前后的指令執行重排需優化。
內存屏障的另一個作用是強制刷出各種CPU的緩存數據，因此任何CPU上的線程都能讀取到這些數據的最新版本。
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