java并发之volatile关键字

Java 面试中经常会涉及关于 volatile 的问题。本文梳理下 volatile 关键知识点。

volatile 字意为“易失性”，在 Java 中用做修饰对象变量。它不是 Java 特有，在 C，C++，C# 等编程语言也存在，只是在其它编程语言中使用有所差异，但总体语义一致。比如使用 volatile 能阻止编译器对变量的读写优化。简单说，如果一个变量被修饰为 volatile，相当于告诉系统说我容易变化，编译器你不要随便优化（重排序，缓存）我。

规范上，Java 内存模型遵行happens-before。

volatile 变量在多线程中，写线程和读线程具有 happens-before 关系。也就是写值的线程要在读取线程之前，并且读线程能完全看见写线程的相关变量。

happens-before：如果两个有两个动作 AB，A 发生在 B 之前，那么 A 的顺序应该在 B 前面并且 A 的操作对 B 完全可见。

happens-before 具有传递性，如果 A 发生在 B 之前，而 B 发生在 C 之前，那么 A 发生在 C 之前。

多线程环境下 counter 变量的更新过程。线程 1 先从主存拷贝副本到 CPU 缓存，然后 CPU 执行 counter=7，修改完后写入 CPU 缓存，等待时机同步到主存。在线程 1 同步主存前，线程 2 读到 counter 值依然为 0。此时已经发生内存一致性错误（对于相同的共享数据，多线程读到视图不一致）。因为线程 2 看不见线程 1 操作结果，也将这个问题称为 可见性问题。

public class SharedObject {public int counter = 0;}

因为多了缓存优化导致，导致可见性问题。所以 volatile 通过消除缓存（描述可能不太准确）来避免。例如当使用 volatile 修饰变量后，操作该变量读写直接与主存交互，跳过缓存层，保证其它读线程每次获取的都是最新值。

    public volatile int counter = 0;

volatile 不单只消除修饰的变量的缓存。事实上与之相关的变量在读写时也会消除缓存，如同使用了 volatile 一样。

如下 years，months，days 三个变量中只有 days 是 volatile，但是对 years，months 读写操作也和 days 时也会跳过缓存，其它线程每次读到的都是最新值。

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;
    }
}

这是为什么？我们分析一下。

一个写线程调用 update，读线程调用 totalDays。单线程中，对于 update 方法，wa 与 wb 存在 happens-before 关系，wa在 wb 之前执行并对 wb 可见。

多线程中 rc 与 wb 存在 happens-before 关系，wb在 rc 之前执行并对 rc 可见。根据 happens-before 传递性，wa需要在 rc 前先执行并对 rc 可见。

因为 wb 是 volatile 变量，所以 rc 获取的 years，months 也是最新值。

我们知道出于性能原因，JVM 和 CPU 会对程序中的指令进行重新排序。如果 update 方法里面 wa 和wb顺序被重排，那它们的 happens-before 关系将不在成立。

为了避免这个问题，volatile 对重排序做了保证 对于发生在 volatile 变量操作前的其他变量的操作不能重新排序。

由此我们得到 volatile 通过 消除缓存 和防止重排 保证线程的可见性。

讨论线程安全，大家都会提及 原子性 ， 顺序性 ， 可见性。volatile 侧重于保证可见性，也就是当写的线程更新后，读线程总能获得最新值。在只有一个线程写，多个线程读的场景下，volatile 能满足线程安全。可如果多个线程同时写入 volatile 变量时，则需要引入同步语义才能保证线程安全。

模拟 10 个线程同时写入 volatile 变量，一个线程读 counter，执行完后正确结果应该是 counter=10。

    public static class WriterTask implements Runnable {
        private final ShareObject share;
        private final CountDownLatch countDownLatch;
        public WriterTask(ShareObject share, CountDownLatch countDownLatch) {
            this.share = share;
            this.countDownLatch = countDownLatch;
        }
        @Override
        public void run() {countDownLatch.countDown();
            share.increase();}
    }
    
    public class ShareObject {
        private volatile int counter;
        public void increase() {this.counter++;}
    }

执行结果出现 counter= 5 或 6 错误结果。

通过 synchronized，Lock 或 AtomicInteger 原子变量保证了结果的正确。

完整 demo https://gist.github.com/onlyt…

volatile 变量带来可见性的保证，访问 volatile 变量还防止了指令重排序。不过这一切是以牺牲优化（消除缓存，直接操作主存开销增加）为代价，所以不应该滥用 volatile，仅在确实需要增强变量可见性的时候使用。

本文记录了 volatile 变量通过消除缓存，防止指令重排序来保证线程可见性，并且在多线程写入的变量的场景下，不保证线程安全。

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java并发之volatile关键字

Happens-before

如何保证可见性

volatile 保证线程安全？

volatile 性能

总结