教妹学Java：并发编程之 volatile
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2022-06-21 02:54
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“三妹啊，这节我们来学习 Java 并发编程中的 volatile 关键字，以及容易遇到的坑。”看着三妹好学的样子，我倍感欣慰。
“好呀，哥。”三妹愉快的答应了。
volatile 变量的特性
volatile 可以保证可见性，但不保证原子性：
当写一个 volatile 变量时，JMM 会把该线程本地内存中的变量强制刷新到主内存中去； 这个写操作会导致其他线程中的 volatile 变量缓存无效。
volatile 禁止指令重排规则
我们回顾一下，重排序需要遵守一定规则：
重排序操作不会对存在数据依赖关系的操作进行重排序。比如：a=1;b=a; 这个指令序列，由于第二个操作依赖于第一个操作，所以在编译时和处理器运行时这两个操作不会被重排序。 重排序是为了优化性能，但是不管怎么重排序，单线程下程序的执行结果不能被改变。比如：a=1;b=2;c=a+b 这三个操作，第一步（a=1)和第二步(b=2)由于不存在数据依赖关系， 所以可能会发生重排序，但是 c=a+b 这个操作是不会被重排序的，因为需要保证最终的结果一定是 c=a+b=3。
使用 volatile 关键字修饰共享变量可以禁止这种重排序。若用 volatile 修饰共享变量，在编译时，会在指令序列中插入内存屏障来禁止特定类型的处理器重排序，volatile 禁止指令重排序也有一些规则：
当程序执行到 volatile 变量的读操作或者写操作时，在其前面的操作的更改肯定全部已经进行，且结果已经对后面的操作可见；在其后面的操作肯定还没有进行； 在进行指令优化时，不能将对 volatile 变量访问的语句放在其后面执行，也不能把 volatile 变量后面的语句放到其前面执行。
“二哥，能不能通俗地讲讲啊？”
“也就是说，执行到 volatile 变量时，其前面的所有语句都执行完，后面所有语句都未执行。且前面语句的结果对 volatile 变量及其后面语句可见。”我瞅了了三妹一眼说。
volatile 禁止指令重排分析
先看下面未使用 volatile 的代码：
class ReorderExample {
int a = 0;
boolean flag = false;
public void writer() {
a = 1; //1
flag = true; //2
}
Public void reader() {
if (flag) { //3
int i = a * a; //4
System.out.println(i);
}
}
}
因为重排序影响，所以最终的输出可能是 0，具体分析请参考上一篇，如果引入 volatile，我们再看一下代码：
class ReorderExample {
int a = 0;
boolean volatile flag = false;
public void writer() {
a = 1; //1
flag = true; //2
}
Public void reader() {
if (flag) { //3
int i = a * a; //4
System.out.println(i);
}
}
}
这个时候，volatile 禁止指令重排序也有一些规则，这个过程建立的 happens before 关系可以分为两类：
根据程序次序规则，1 happens before 2; 3 happens before 4。 根据 volatile 规则，2 happens before 3。 根据 happens before 的传递性规则，1 happens before 4。
上述 happens before 关系的图形化表现形式如下：
在上图中，每一个箭头链接的两个节点，代表了一个 happens before 关系:
黑色箭头表示程序顺序规则； 橙色箭头表示 volatile 规则； 蓝色箭头表示组合这些规则后提供的 happens before 保证。
这里 A 线程写一个 volatile 变量后，B 线程读同一个 volatile 变量。A 线程在写 volatile 变量之前所有可见的共享变量，在 B 线程读同一个 volatile 变量后，将立即变得对 B 线程可见。
volatile 不适用场景
volatile 不适合复合操作
下面是变量自加的示例：
public class volatileTest {
public volatile int inc = 0;
public void increase() {
inc++;
}
public static void main(String[] args) {
final volatileTest test = new volatileTest();
for(int i=0;i<10;i++){
new Thread(){
public void run() {
for(int j=0;j<1000;j++)
test.increase();
};
}.start();
}
while(Thread.activeCount()>1) //保证前面的线程都执行完
Thread.yield();
System.out.println("inc output:" + test.inc);
}
}
测试输出：
inc output:8182
“为什么呀？二哥？”三妹疑惑地问。
“因为 inc++不是一个原子性操作，由读取、加、赋值 3 步组成，所以结果并不能达到 10000。”我耐心地回答。
“哦，你这样说我就理解了。”三妹点点头。
解决方法
采用 synchronized：
public class volatileTest1 {
public int inc = 0;
public synchronized void increase() {
inc++;
}
public static void main(String[] args) {
final volatileTest1 test = new volatileTest1();
for(int i=0;i<10;i++){
new Thread(){
public void run() {
for(int j=0;j<1000;j++)
test.increase();
};
}.start();
}
while(Thread.activeCount()>1) //保证前面的线程都执行完
Thread.yield();
System.out.println("add synchronized, inc output:" + test.inc);
}
}
采用 Lock：
public class volatileTest2 {
public int inc = 0;
Lock lock = new ReentrantLock();
public void increase() {
lock.lock();
inc++;
lock.unlock();
}
public static void main(String[] args) {
final volatileTest2 test = new volatileTest2();
for(int i=0;i<10;i++){
new Thread(){
public void run() {
for(int j=0;j<1000;j++)
test.increase();
};
}.start();
}
while(Thread.activeCount()>1) //保证前面的线程都执行完
Thread.yield();
System.out.println("add lock, inc output:" + test.inc);
}
}
采用 AtomicInteger：
public class volatileTest3 {
public AtomicInteger inc = new AtomicInteger();
public void increase() {
inc.getAndIncrement();
}
public static void main(String[] args) {
final volatileTest3 test = new volatileTest3();
for(int i=0;i<10;i++){
new Thread(){
public void run() {
for(int j=0;j<100;j++)
test.increase();
};
}.start();
}
while(Thread.activeCount()>1) //保证前面的线程都执行完
Thread.yield();
System.out.println("add AtomicInteger, inc output:" + test.inc);
}
}
三者输出都是 1000，如下：
add synchronized, inc output:1000
add lock, inc output:1000
add AtomicInteger, inc output:1000
单例模式的双重锁要加volatile
先看一下单例代码：
public class penguin {
private static volatile penguin m_penguin = null;
// 避免通过new初始化对象
private void penguin() {}
public void beating() {
System.out.println("打豆豆");
};
public static penguin getInstance() { //1
if (null == m_penguin) { //2
synchronized(penguin.class) { //3
if (null == m_penguin) { //4
m_penguin = new penguin(); //5
}
}
}
return m_penguin; //6
}
}
在并发情况下，如果没有 volatile 关键字，在第 5 行会出现问题。instance = new TestInstance();可以分解为 3 行伪代码：
a. memory = allocate() //分配内存
b. ctorInstanc(memory) //初始化对象
c. instance = memory //设置instance指向刚分配的地址
上面的代码在编译运行时，可能会出现重排序从 a-b-c 排序为 a-c-b。在多线程的情况下会出现以下问题。
当线程 A 在执行第 5 行代码时，B 线程进来执行到第 2 行代码。假设此时 A 执行的过程中发生了指令重排序，即先执行了 a 和 c，没有执行 b。那么由于 A 线程执行了 c 导致 instance 指向了一段地址，所以 B 线程判断 instance 不为 null，会直接跳到第 6 行并返回一个未初始化的对象。
总结
“好了，三妹，我们来总结一下。”我舒了一口气说。
volatile 可以保证线程可见性且提供了一定的有序性，但是无法保证原子性。在 JVM 底层 volatile 是采用“内存屏障”来实现的。
观察加入 volatile 关键字和没有加入 volatile 关键字时所生成的汇编代码发现，加入 volatile 关键字时，会多出一个 lock 前缀指令，lock 前缀指令实际上相当于一个内存屏障（也称内存栅栏），内存屏障会提供 3 个功能：
它确保指令重排序时不会把其后面的指令排到内存屏障之前的位置，也不会把前面的指令排到内存屏障的后面；即在执行到内存屏障这句指令时，在它前面的操作已经全部完成； 它会强制将对缓存的修改操作立即写入主存； 如果是写操作，它会导致其他 CPU 中对应的缓存行无效。
最后，我们学习了 volatile 不适用的场景，以及解决的方法，并解释了单例模式为何需要使用 volatile。
没有什么使我停留——除了目的，纵然岸旁有玫瑰、有绿荫、有宁静的港湾，我是不系之舟。欢迎大家多多点赞，更多精彩内容，也请关注二哥新成立的三剑客之一“楼仔”，我们也会做一些令大家惊喜的事情出来，敬请期待!
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