Java关键字volatile的理解与正确使用
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Java关键字volatile的理解与正确使用
FEINIK 发表于5个月前
Java关键字volatile的理解与正确使用
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概述

Java语言中关键字 volatile 被称作轻量级的 synchronized,与synchronized相比,volatile编码相对简单且运行的时的开销较少,但能够正确合理的应用好 volatile 并不是那么的容易,因为它比使用锁更容易出错,接下来本文主要介绍 volatile 的使用准则,以及使用过程中需注意的地方。

为何使用volatile?

(1)简易性:在某些需要同步的场景下使用volatile变量要比使用锁更加简单

(2)性能:在某些情况下使用volatile同步机制的性能要优于锁

(3)volatile操作不会像锁一样容易造成阻塞

volatile特性

(1)volatile 变量具有 synchronized 的可见性特性,及如果一个字段被声明为volatile,java线程内存模型确保所有的线程看到这个变量的值是一致的

(2)禁止进行指令重排序

(3)不保证原子性

注:

① 重排序:重排序通常是编译器或运行时环境为了优化程序性能而采取的对指令进行重新排序执行的一种手段

② 原子性:不可中断的一个或一系列操作

③ 可见性:锁提供了两种主要特性:互斥和可见性,互斥即一次只允许一个线程持有某个特定的锁,因此可使用该特性实现对共享数据的协调访问协议,这样,一次就只有一个线程能够使用该共享数据。可见性要更加复杂一些,它必须确保释放锁之前对共享数据做出的更改对于随后获得该锁的另一个线程是可见的。

volatile的实现原理

 如果对声明了volatile的变量进行写操作,JVM就会向处理器发送一条Lock前缀的指令,该Lock指令会使这个变量所在缓存行的数据回写到系统内存,根据缓存一致性协议,每个处理器都会通过嗅探在总线上传输的数据来检查自己缓存的值是否已过期,当处理器发现自己的缓存行对应的地址被修改,就会将当前处理器的缓存行设置成无效状态,在下次访问相同内存地址时,强制执行缓存行填充。

正确使用volatile的场景

volatile 主要用来解决多线程环境中内存不可见问题。对于一写多读,是可以解决变量同步问题,但是如果多写,就无法解决线程安全问题。如:

1、不适合使用volatile的场景(非原子性操作)

(1)反例

​private static volatile int nextSerialNum = 0;
public static long generateSerialNum() {
   return nextSerialNum++;
}

这个方法的目的是要确保每次调用都返回不同的自增值,然而结果并不理想,问题在于增量操作符(++)不是原子操作,实际上它是一个由读取-修改-写入操作序列组成的组合操作,如果第二个线程在第一个线程读取旧值和写回新值期间读取这个域,第二个线程与第一个线程就会读取到同一个值。

(2)正例

其实面对上面的反例场景可以使用JDK1.5 java.util.concurrent.atomic中提供的原子包装类型来保证原子性操作

private static AtomicInteger nextSerialNum = new AtomicInteger(0);
public static long generateSerialNum() {
   return nextSerialNum.getAndIncrement();
}

2、适合使用volatile的场景

在日常工作当中volatile大多被在状态标志的场景当中,如:

要通过一个线程来终止另外一个线程的场景

(1)反例

private static boolean stopThread;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
   Thread th = new Thread(new Runnable() {
      @Override
      public void run() {
         int i = 0;
         while (!stopThread) {
            i++;
         }
      }
   });
   th.start();
   TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
   stopThread = true;
}

运行后发现该程序根本无法终止循环,原因是,java语言规范并不保证一个线程写入的值对另外一个线程是可见的,所以即使主线程main函数修改了共享变量stopThread状态,但是对th线程并不一定可见,最终循环可能无法终止。

(2)正例

private static volatile boolean stopThread;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
   Thread th = new Thread(new Runnable() {
      @Override
      public void run() {
         int i = 0;
         while (!stopThread) {
            i++;
         }
      }
   });
   th.start();
   TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
   stopThread = true;
}

通过使用关键字volatile修饰共享变量stopThread,根据volatile的可见性原则可以保证主线程main函数修改了共享变量stopThread状态后对线程th来说是立即可见的,所以在两秒内线程th将停止循环。

总结

本文通过对volatile的特性介绍,以及volatile的实现原理,最后结合volatile的特性举例说明它在使用过程中应该注意的使用规则,好了,希望本文对您有所帮助!

 

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评论 (22)
jwxa9000
博主 为什么加了个 System.out.println(i) 即使没有volatile 他也停下来了。。。
JonasBollack
博主,我运行最后那个反例,是可以停止那个线程的。。。JDK是1.7
o͡͡͡͡͡ooo
volatile并不是用于同步,它只是用于保障内存的可见性
纳兰清风
停止线程那个例子貌似有点问题。。。
纳兰清风
停止线程那个例子貌似有点问题。。。
T-H-E
"所以即使主线程main函数修改了共享变量stopThread状态,但是对th线程并不可见",明显错误的说法。
T-H-E
第二场景例子举得不对,参考《实战Java高并发程序设计》里的2.3章节例子才对。
沧海一刀
内存的可见性
FEINIK

引用来自“T-H-E”的评论

"所以即使主线程main函数修改了共享变量stopThread状态,但是对th线程并不可见",明显错误的说法。
“java语言规范并不保证一个线程写入的值对另外一个线程是可见的,所以即使主线程main函数修改了共享变量stopThread状态,但是对th线程并不可见“:请结合java语言规范并不保证一个线程写入的值对另外一个线程是可见的,注意这里的并不保证,当然了“对th线程并不可见“应该表达成是对th线程并不一定可见。
FEINIK

引用来自“o͡͡͡͡͡ooo”的评论

volatile并不是用于同步,它只是用于保障内存的可见性
是的,我在文中已经说明了这一点:“volatile 主要用来解决多线程环境中内存不可见问题“
FEINIK
对于线程循环是否终止问题这里存在不确定性,忘记给大家声明这一点了,那么为什么存在不确定性呢?其实如果大家对java内存模型和硬件架构稍作了解的话,不难通过本文中提到的“java语言规范并不保证一个线程写入的值对另外一个线程是可见的”就可以明白,所以对于这里的不确定性我们无法确保线程一定会一直循环下去或2秒内终止循环(主存已被更新),所以为了保证内存的可见性请将stopThread变量声明为volatile,这样就可以确保程序的万无一失!:smile:
T-H-E

引用来自“FEINIK”的评论

对于线程循环是否终止问题这里存在不确定性,忘记给大家声明这一点了,那么为什么存在不确定性呢?其实如果大家对java内存模型和硬件架构稍作了解的话,不难通过本文中提到的“java语言规范并不保证一个线程写入的值对另外一个线程是可见的”就可以明白,所以对于这里的不确定性我们无法确保线程一定会一直循环下去或2秒内终止循环(主存已被更新),所以为了保证内存的可见性请将stopThread变量声明为volatile,这样就可以确保程序的万无一失!:smile:
应该注明验证在32位jdk的 -client模式下th线程会退出,而加了-server模式则进入无线循环。在前面说到的书中说是由于JIT进行了优化导致
爱吃大肉包
补充点,重排序不止是编译器的重排序,处理器也会对执行指令进行重排序
mjchow
这个反例的确有点不好重现:sweat_smile:
JuJu_sh
亲测,反例是可以停止线程的
断崖逐梦
例子有问题吧
JonasBollack
亲测,反例必须在Server模式下运行才不会终止,@T-H-E 说的是正解。
thbcd
volatile只能保证变量加载到线程内存时的值是最新,当一个线程抢先修改了变量但是还没执行完的时候,其他线程还是不知道变量被修改的,所以企图拿volatile做同步就是错,老老实实用lock吧
FEINIK

引用来自“thbcd”的评论

volatile只能保证变量加载到线程内存时的值是最新,当一个线程抢先修改了变量但是还没执行完的时候,其他线程还是不知道变量被修改的,所以企图拿volatile做同步就是错,老老实实用lock吧

@thbcd 你所说的是互斥性,我所讲的volatile 的可见性哦!
pandudu
好文
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FEINIK
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