Java 并发编程 ⑤ - volatile 关键字

Richard_Yi 2020年05月22日 11次浏览

往期文章：

开篇

在开始之前，想先普及下volatile的发音哈，因为我身边的同事们好像没有读准的，所以想先普及一下。

美音音标是[ˈvɑlətl]，可不要读错了哦。可惜不能发语音，不然肯定让你们听听我的标准读音（🐶狗头保命）。

好了，皮完了，接下开始进入正式的内容。

volatile 是Java 并发编程中很重要的一个知识点，应该也是普通Java面试常常会考察的点。今天我们的切入点就从面试切入。

一般面试官会提问的套路就是：

“我看你写着熟悉并发编程，那你知道volatile 吗，作用是什么？”

这个时候，熟悉volatile 的人应该能脱口而出volatile 的作用：

  • 保证共享变量的内存可见性
  • 能产生内存屏障，禁止指令重排序

PS：如果是要面试的小伙伴，注意熟记这两点哦。

在上一节内容Java 内存模型中我们就讲到过并发编程中的三大特性：

  • 可见性 - Visibility
  • 原子性 - Atomicity
  • 有序性 - Ordering

那篇文章中也提到了，volatile 可以解决可见性问题和有序性问题。

下面我们就按照这个思路下来，讲讲volatile 是解决这两个问题的具体细节。

volatile 之于 内存可见性

前面“科普”了volatile 的发音，现在我再来科普下volatile 的英文本义，即 “挥发、不稳定的” ，延伸意义为敏感的。

当使用 volatile 修饰变量时，这个变量就会变得很“敏感”，每个相关的线程都密切关注它，它的喜怒哀乐对其他线程马上可见，具体表现在：

当一个变量被声明为volatile 时，线程在写入变量时不会把值缓存在寄存器或者其他地方，而是会把值刷新回主内存。当其他线程读取该共享变量时，会从主内存重新获取最新值，而不是使用当前线程的工作内存中的值。

volatile 常会和synchronized 放在一起对比讨论，因为volatile 的内存语义和synchronized 有相似之处，具体来说就是，当线程写入了volatile 变量值时就等价于线程退出synchronized 同步块（把写入工作内存的变量值同步到主内存），读取volatile 变量值时就相当于进入同步块（先清空本地内存变量值，再从主内存获取最新值）。

底层原理

volatile 的底层原理对于本文来说略微超纲，这里就抛砖引玉，放上方腾飞大大的一篇文章：深入分析 Volatile 的实现原理。有兴趣的读者可以去学习一下。这篇文章深入分析了硬件层面上处理器是如何实现Volatile 的。

实际应用

有些地方会说 volatile 是一种轻量级的同步方式，实际上这里指的是它对于内存可见性的作用。如果要更准确的表达的话，volatile 应该成为是轻量级的线程操作可见方式。如果是在多写场景下的话，他并不能提供所谓的“同步”功能，还是会产生原子性的问题。

但是，如果是一写多读的场景，使用volatile 会变得十分的合适，在保证内存可见性的同时，不会像synchronized 那样会引起线程上下文的切换和调度(独占锁，会阻塞其他线程)，相较起来使用和执行成本会更低。

volatile 写多读少，典型的应用是 CopyOnWriteArrayList。它在修改数据时会把整个集合的数据全部复制出来， 对写操作加锁，修改完成后， 再用 setArray() 把 array 指向新的集合。使用 volatile 可以使读线程尽快地感知 array 的修改， 不进行指令重排，操作后即对其他线程可见。

源码大致如下：

public class CopyOnWriteArrayList<E> { 
  	
    private transient volatile Object[] array;
	final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    
    public E set(int index, E element) {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        //...
    }
    
    final void setArray(Object[] a) {
        array = a;
    }
}

另外，再说一句，单独的volatile 不能保证原子性，但是当它配合上CAS 之后，就能实现无锁的同步（乐观锁方式）

这种方式，在JUC中有很多很多的例子，很经典的就是AtomicInteger、LongAdder之类的原子类。

这部分更多的内容会在CAS一节中讲。

public class AtomicInteger {
 	// ...
   	private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
    // ...
    private volatile int value;
    // ...
}

在实际业务中 ，如何清晰地判断一写多读的场景显得尤为重要。如果不确定共享 变量是否会被多个线程并发写 ，保险的做法是使用同步代码块来实现线程同步。另外，因为所有的操作都需要同步给内存变量，所以 volatile 一定会使线程的执行速度变慢，故要审慎定义和使用 volatile 属性。

volatile 之于 有序性

volatile 另外一个用途就是 能产生内存屏障，禁止指令重排序。重排序的相关知识我们在上一节中有讲述过。这里就不赘述了。

volatile 具体怎么实现的呢？前面也说了，是内存屏障的方式。

那么什么是内存屏障呢？内存屏障是基于特定硬件的，具体展开来非常的复杂。简单来说，内存屏障分两种：读屏障和写屏障。内存屏障有两个作用：

  1. 阻止屏障两侧的指令重排序；

  2. 强制把写缓冲区/高速缓存中的脏数据等写回主内存，或者让缓存中相应的数据失效。

    这里的缓存主要指的是CPU缓存，如L1，L2等

这里先给出JVM中提供的四类内存屏障指令：

屏障类型指令示例说明
LoadLoadLoad(A) ->LoadLoad ->Load(B)保证load(A)的读取操作在load(B)之前执行
StoreStoreStore(A)-> StoreStore->Store(B)保证在执行Store(B)之前，Store(A)的写操作已经刷新到主内存中
LoadStoreLoad(A)->LoadStore->Store(B)保证在执行Store(B)之前，Load(A)已经读取结束
StoreLoadStore(A)->StoreLoad->Load(B)保证Load(B)读操作之前，Store(A)的写操作已经刷新到主内存

熟悉了上面的内存屏障的内存语义之后，再来看看volatile 的内存屏障插入策略是怎么样的呢。这里用我们上面举的A、B两个变量做例子，其中B为volatile 修饰的变量。

这个策略是：

  • 在每个volatile 写操作前插入一个StoreStore 屏障；
  • 在每个volatile 写操作后插入一个StoreLoad 屏障；
  • 在每个volatile 读操作后插入一个LoadLoad 屏障；
  • 在每个volatile 读操作后再插入一个LoadStore 屏障。

到这里相信你已经明白了volatile 禁止重排序的原理细节。

实际应用

这里举一个重排序应用的实际例子，也就是我们熟悉的单例模式。

单例模式中有一种写法是双重检查DCL，代码如下：

public class Singleton {
    private volatile static Singleton singleton;

    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getSingleton() {
        if (singleton == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (singleton == null) {
                    singleton = new Singleton();
                }
            }
        }
        return singleton;
    }
}

这里的volatile 很关键，在这里的作用就是防止指令重排序。

代码中，singleton = new Singleton()主要做了3件事情：

  1. 给instance 对象分配内存
  2. 调用Singleton 的构造函数来初始化成员变量
  3. 将instance 对象指向分配的内存空间（注意，做这一步之后，instance != null）

由于指令重排序优化的存在，step2 和 step3 的顺序是不能保证的。最终的执行顺序可能是 1-2-3 也可能是 1-3-2。如果是后者，想象一下，如果线程A执行完step3 时，线程B抢占了CPU，按照1-3-2的执行顺序，step3 执行之后singleton != null，那个线程B执行getSingleton()会直接返回未初始化的成员变量，使用就可能会报错。

小结

这里对volatile 总结一下：

  • volatile 可以保证共享变量的可见性，线程在写入变量时总是会把值刷新回主内存；当其他线程读取该共享变量时，会从主内存重新获取最新值，而不是使用当前线程的工作内存中的值。
  • volatile 在保证内存可见性的同时，不会像synchronized 那样会引起线程上下文的切换和调度，相较起来使用和执行成本会更低。在一写多读的场景下尤为合适。
  • volatile 无法提供原子性的保证，但是配合CAS 可以实现无锁的同步，在并发包的源码中，使用得非常多。
  • volatile 可以使得 long 和 double 的赋值是原子的。
  • 普通变量被声明为volatile 变量之后，所有的操作都需要同步给内存变量，所以volatile 会使线程的执行速度变慢，故要审慎定义和使用volatile。

参考文章

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