一起学并发编程 - Volatile关键字详解

volatile是用来标记一个JAVA变量存储在主内存(main memory)中，多线程读写volatile变量会先从高速缓存中读取，但是写入的时候会立即通过内存总线刷到主存，同时内存总线中会对这个变量进行监听，当发现数据变动时，会主动将该变量的CPU Cache置为失效。确切的说：每次写操作volatile变量时，将直接将主内存(main memory)中最新的值读取到当前Cache操作

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概述

可见性： 是指线程之间数据可见共享，一个线程修改的状态对另一个线程是可见的。比如：用volatile修饰的变量，就会确保变量在修改时，其它线程是可见的。。

在多线程中，对非volatile变量进行操作的时候，出于对性能的考虑，当对这些变量进行数据操作时，线程可能会从主内存里拷贝变量到CPU Cache中去。多核CPU环境中，多个线程分别在不同的CPU中运行，就意味着，多个线程都有可能将变量拷贝到当前运行的CPU Cache里。

如下图所示（多线程数据模型）：

示例 - 非Volatile

public class NotSharedObject {

    private static int COUNTER = 0;
    private static final int MAX_LIMIT = 5;

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            int localValue = COUNTER;
            while (localValue < MAX_LIMIT) {
                if (localValue != COUNTER) {
                    System.out.printf("[线程] - [%s] - [%d]\n", Thread.currentThread().getName(), COUNTER);
                    localValue = COUNTER;
                }
            }
        }, "READER").start();

        new Thread(() -> {
            int localValue = COUNTER;
            while (COUNTER < MAX_LIMIT) {
                System.out.printf("[线程] - [%s] - [%d]\n", Thread.currentThread().getName(), ++localValue);
                COUNTER = localValue;
            }
        }, "UPDATER").start();
    }
}

[线程] - [UPDATER] - [1]
[线程] - [UPDATER] - [2]
[线程] - [UPDATER] - [3]
[线程] - [UPDATER] - [4]
[线程] - [UPDATER] - [5]

• 结果表明，UPDATE线程虽修改数据，但是READER线程并未监听到数据的变动，当前线程操作的是当前CPU Cache里的数据，而不是从main memory获取的。

• couner 的变量未使用volatile关键字修饰，即JVM无法保证有效的将CPU Cache的内容写入主存中。意味着 counter 变量在CPU Cache中的值可能会与主存中的值不一样。

如下图所示（无Volatile）：

示例 - Volatile

private static volatile int COUNTER = 0;


[线程] - [UPDATER] - [1]
[线程] - [UPDATER] - [2]
[线程] - [READER] - [1]
[线程] - [UPDATER] - [3]
[线程] - [UPDATER] - [4]
[线程] - [UPDATER] - [5]
[线程] - [READER] - [3]

• 结果表明，volatile修饰后的变量并不会达到Lock的效果，它只会保证线程可见性，但不保证原子性，在读取volatile变量和写入它的新值时，由于操作耗时较短，就会产生 竞争条件:多个线程可能会读取到volatile变量的相同值，然后产生新值并写入主内存，这样将会覆盖互相的值。（有兴趣的可以在创建一个UPDATE线程测试效果）

如下图所示（Volatile）：

Happens-Before 原则

从Java5之后volatile关键字不仅能用于保证变量从主存中进行读写操作，同时还遵循Happens-Before原则，下文将会描述存在于volatile中的一些细节，想深入的可以自行谷歌 happens-before relationship或者访问提供的几个链接

参考文献（1）：https://en.wikipedia.org/wiki/Happened-before

参考文献（2）：http://preshing.com/20130702/the-happens-before-relation/

参考文献（3）：http://www.importnew.com/17149.html

• 如果T1线程写入了一个volatile变量然后T2线程读取该变量，那么T1线程写之前对其可见的所有变量，T2线程读取该volatile之后也会对其可见。

• 禁止JVM指令重排优化，一旦被volatile修饰的变量，赋值后多执行了一个load addl $0x0, (%esp)操作，相当于多了一个内存屏障（指令重排序时不能把后面的指令重排序到内存屏障之前的位置），单核CPU访问内存时，并不需要内存屏障；

看看下面这个示例：

T1线程:
Object obj;
volatile boolean init;
---------T1线程------------
obj = createObj()    1;
init = true;        2;
---------T2线程------------
while(!init){
    sleep();
}
useTheObj(obj);

• 被volatile修饰过的变量 init在写操作之前，创建了非volatile变量的obj，因而T1线程在写入init后，会将obj也写入主内存中去。

• 由于T2线程启动的时候读取被volatile修饰过的init，因而变量 init 和变量 obj 都会被写入T2线程所使用的CPU缓存中去。当T2线程读取 obj 变量时，它将能看见被T1线程写入的东西。

总结适用场景

• 线程可见，状态量标记

volatile boolean start = true;

while(start){
//
}
void close(){
    start = false;
}

• 屏障前后一致性，禁止指令重排

- 说点什么

全文代码：https://gitee.com/battcn/battcn-concurent/tree/master/Chapter1-1/battcn-thread/src/main/java/com/battcn/chapter13

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