译文《Java并发编程之volatile》

作者: 雅各布·詹科夫
原文: http://tutorials.jenkov.com/j...
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更新: 2022-02-24

Java的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，每次对volatile变量的读取都将从计算机主内存中读取，而不是从CPU缓存中读取，并且每次对volatile变量的写入都将写入主内存，而不仅仅写在CPU缓存。

事实上，自从 Java5 开始，volatile 关键字就不仅仅被用来保证 volatile 变量读写主内存。我将在以下内容解释这一点。

Java volatile 教程视频

如果你喜欢视频，我在这里有这个 Java volatile 教程的视频版本:
Java volatile 教程视频

变量可见性问题

Java的volatile关键字在多线程处理中保证了共享变量的“可见性”。这听起来可能有点抽象，所以让我详细说明。

在多线程应用程序中，如果多个线程对同一个无声明volatile关键词的变量进行操作，出于性能原因，每个线程可以在处理变量时将变量从主内存复制到CPU缓存中。如果你的计算机拥有多CPU，则每个线程可能在不同的CPU上运行。这就意味着，每个线程都可以将变量复制在不同CPU的CPU缓存上。这在此处进行了说明：

对于无声明volatile关键词的变量而言，无法保证Java虚拟机（JVM）何时将数据从主内存读取到CPU缓存，或者将数据从CPU缓存写入主内存。这就可能会导致几个问题，我将在以下部分内容解释这些问题。

想象一个场景，多个线程访问一个共享对象，该对象包含一个声明如下的计数器（counter）变量：

public class SharedObject {

    public int counter = 0;

}

假设只有线程1会增加计数器（counter）变量的值，但是线程1和线程2会不时的读取这个计数器变量。

如果计数器（counter）变量没有声明volatile关键词，则无法保证计数器变量的值何时从CPU缓存写回主内存。这就意味着，每个CPU缓存上的计数器变量值和主内存中的变量值可能不一致。这种情况如下所示：

一个线程的写操作还没有写回主内存（每个线程都有本地缓存，即CPU缓存，一般写入成功会从cpu缓存刷新至主内存），其他线程看不到变量的最新值，这就是“可见性”问题，即一个线程的更新对其他线程是不可见的。

Java volatile 可见性保证

Java的volatile关键字就是为了解决变量的可见性问题。通过对计数器（counter）变量声明volatile关键字，所有线程对该变量的写入都会被立即同步到主内存中，并且，所有线程对该变量的读取都会直接从主内存读取。

以下是计数器（counter）变量声明了关键字volatile的用法：

public class SharedObject {

    public volatile int counter = 0;

}

因此，声明了volatile关键字的变量，保证了其他线程对该变量的写入可见性。

在以上给出的场景中，一个线程（T1）修改了计数器变量，而另一个线程（T2）读取计数器变量（但是没有进行修改），这种场景下如果给计数器（counter）变量声明volatile关键字，就能够保证计数器（counter）变量的写入对线程（T2）是可见的。

但是如果线程（T1）和线程（T2）都对计数器（counter）变量进行了修改，那么给计数器（counter）变量声明volatile关键字是无法保证可见性的，稍后讨论。

volatile 全局可见性保证

实际上，Java的volatile关键字可见性保证超过了volatile变量本身的可见性，可见性保证如下：

• 如果线程A写入一个volatile变量，而线程B随后读取了同一个volatile变量，那么所有变量的可见性，在线程A写入volatile变量之前对线程A可见，在线程B读取volatile变量之后对线程B同样可见。
• 如果线程A读取一个volatile变量，那么读取volatile变量时，对线程A可见的所有变量也会从主内存中重新读取。

让我用一个代码示例来说明:

public class MyClass {
    private int years;
    private int months
    private volatile int days;


    public void update(int years, int months, int days){
        this.years  = years;
        this.months = months;
        this.days   = days;
    }
}

udpate()方法写入三个变量，其中只有变量days声明为volatile。

volatile关键字声明的变量，被写入时会直接从本地线程缓存刷新到主内存。

volatile的全局可见性保证，指的是当一个值被写入days时，所有对当前写入线程可见的变量也都会被写入到主内存。意思就是当一个值被写入days变量时，year变量和months变量也会被写入到主内存。

在读years，months和days的值时，你可以这样做：

public class MyClass {
    private int years;
    private int months
    private volatile int days;

    public int totalDays() {
        int total = this.days;
        total += months * 30;
        total += years * 365;
        return total;
    }

    public void update(int years, int months, int days){
        this.years  = years;
        this.months = months;
        this.days   = days;
    }
}

注意，totalDays()方法会首先读取days变量的值到total变量中，当程序读取days变量时，也会从主内存读取month变量和years变量的值。因此你可以通过以上的读取顺序，来保证读取到三个变量days,months和years最新的值。

指令重排序的挑战

为了提高性能，一般允许 JVM 和 CPU 在保证程序语义不变的情况下对程序中的指令进行重新排序。例如：

int a = 1;
int b = 2;

a++;
b++;

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含义：

int a = 1;
a++;

int b = 2;
b++;

然而，当其中一个变量是volatile关键字声明的变量时，指令重排就会遇到一些挑战。让我们看看之前教程中的MyClass类示例：

public class MyClass {
    private int years;
    private int months
    private volatile int days;


    public void update(int years, int months, int days){
        this.years  = years;
        this.months = months;
        this.days   = days;
    }
}

一旦update()方法将一个值写入days变量，那么写入years变量和months变量的最新值也会被写入到主内存当中。但是，如果Java虚拟机对指令进行重排，例如这样：

public void update(int years, int months, int days){
    this.days   = days;
    this.months = months;
    this.years  = years;
}

当修改days变量时，仍然会将months变量和years变量的值写入主内存，但是这个节点是发生在新值写入months变量和years变量之前。因此months变量和years变量的最新值不可能正确地对其他线程可见。这种重排指令会导致语义发生改变。

针对这个问题Java提供了一个解决方案，我们往下看。

Java volatile Happens-Before 规则

为了解决指令重新排序的挑战，除了可见性保证之外，Java的volatile关键字还提供了Happens-Before规则。Happens-Before规则保证：

• 如果其他变量的读写操作原先就发生在volatile变量的写操作之前，那么其他变量的读写指令不能被重排序到volatile变量的写指令之后;

  • 在volatile变量写入之前，发生的其他变量的读写，Happens-Before 于volatile变量的写入。

注意：例如在volatile变量写入之后的其他变量读写，仍然可能被重排到volatile变量写入之前。只不过不能反着来，允许后面的读写重排到前面，但不允许前面的读写重排到后面。

• 如果其他变量的读写操作原先就发生在volatile变量读操作之后，那么其他变量的读写指令不能被重排序到volatile变量的读指令之前;

注意：例如在volatile变量读之前的其他变量读取，可能被重排到volatile变量的读之后。只不过不能反着来，允许前面的读取重排到后面，但不允许后面的读取重排到前面。

上述的Happens-Before规则，确保了volatile关键字的可见性保证会被强制要求。

仅声明 volatile 不足以保证线程安全

即使volatile关键字保证直接从主内存读取volatile变量，并且所有对volatile变量的写入都直接写入主内存，在某些情况下仅仅声明变量volatile是不足以保证线程安全的。

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

事实上，如果写入变量的新值不需要依赖之前的值，那多个线程可以同时对一个volatile共享变量进行写入操作，并且在主内存中仍然存储正确的值。换而言之，如果一个线程仅对一个volatile共享变量进行写入操作，那并不需要先读取出这个变量的值，再通过计算得到下一个值。

一旦线程需要首先读取出volatile变量的值，再基于该值为volatile共享变量生成新值，那volatile变量就不再足以保证正确的可见性。在读取volatile变量和写入新值之间的短暂时间会产生资源竞争，存在多个线程同时来读取volatile变量并得到相同的值，且都为变量赋予新值，然后将值都写回主内存中，从而会覆盖掉彼此的值。

多个线程递增同个计数器（counter）变量的情况，导致volatile变量不够保证线程安全性。 以下部分更详细地解释了这种情况:

想象一下，如果线程1将值为0的共享计数器（counter）变量读入其CPU高速缓存，则将其递增为1并且还未将更改的值写回主内存。 同时间线程2也可以从主内存中读取到相同的计数器变量，其中变量的值仍为0，存进其自己的CPU高速缓存。 然后，线程2也可以将计数器（counter）递增到1，也还未将其写回主内存。 这种情况如下图所示：

线程1和线程2现在几乎不同步。共享计数器（counter）变量的实际值应该是2，但每个线程在其CPU缓存中的变量值为1，在主内存中该值仍然为0。真是一团糟！即使线程最终将其共享计数器变量的值写回主内存，该值也将是错误的。

volatile 何时是线程安全的

正如我前面提到的，如果两个线程都在读取和写入共享变量，那么使用volatile关键字是不足以保证线程安全的。一般这种情况下，您需要使用synchronized来保证变量的读取和写入是原子性的。读取或写入volatile变量不会阻塞其他线程读取或写入。为此，您必须在关键部分周围使用synchronized关键字。

作为synchronized块的替代方案，您可以选择使用java.util.concurrent并发包中的原子数据类型。 例如，AtomicLong或AtomicReference或其它之一。

如果只有一个线程读取和写入volatile变量的值，而其他线程只读取变量，那么读取线程将保证看到写入volatile变量的最新值。 如果不使变量变为volatile，则无法保证。

volatile关键字保证适用于32位和64位。

volatile 的性能注意事项

读写volatile变量都会直接从主内存读写，比从CPU缓存读写要花更多的开销，但访问volatile变量可以阻止指令重排，这是一项正常的性能增强技术。因此，除非确实需要强制实施变量的可见性，否则其他情况减少使用volatile变量。

（本篇完）

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