- Java 的 volatile關(guān)鍵字對(duì)可見性的保證
- Java 的 volatile關(guān)鍵字在保證可見性之前的所做的事情
- 為什么volatile關(guān)鍵字有時(shí)候也不是足夠的
- 什么時(shí)候volatile足夠了
- volatile關(guān)鍵字對(duì)效率的影響
Java關(guān)鍵字用于將一個(gè)變量標(biāo)記為“存儲(chǔ)在內(nèi)存中的變量”擦俐。更準(zhǔn)確的說(shuō)拨与，意思就是每一次對(duì)volatile標(biāo)記的變量進(jìn)行讀取的時(shí)候侮繁，都是直接從電腦的主內(nèi)存進(jìn)行的，而不是從cpu的cache中您访，而且每個(gè)對(duì)volatile變量的寫入操作剥险，都會(huì)被直接寫入到主存里纺涤，而不是只寫到cache里五垮。
實(shí)際上睬棚，從java5開始琳疏，volatile關(guān)鍵字就不僅僅是保證volatile變量從主存讀寫有决，筆者會(huì)在后面詳細(xì)討論這個(gè)問(wèn)題。
Java 的 volatile關(guān)鍵字對(duì)可見性的保證
Java的volatile關(guān)鍵字可以保證變量的可見性空盼。說(shuō)起來(lái)很簡(jiǎn)單书幕，但具體是什么意思呢？
在多線程的應(yīng)用程序中揽趾，線程操作非volatile的變量台汇，為了更快速的執(zhí)行程序，每個(gè)線程都會(huì)將變量從主存復(fù)制到cpu的cache中篱瞎。如果你的電腦有多個(gè)cpu苟呐，每個(gè)線程都在不同的cpu上運(yùn)行，這就意味著俐筋，每個(gè)線程將變量的值復(fù)制到不同的cpu的cache上牵素，就像下面這個(gè)圖所表明：
如果變量沒(méi)有聲明為volatile，那么就無(wú)法知道澄者，變量什么時(shí)候從主存中讀取到cpu的cache中笆呆，有什么時(shí)候從cache中寫回到主存中。這就可能造成很多潛在的問(wèn)題：
假設(shè)一種情況粱挡，多個(gè)線程同時(shí)持有一個(gè)共享對(duì)象的引用赠幕，這個(gè)對(duì)象包括一個(gè)counter變量：
public class SharedObject {
public int counter = 0;
}
假設(shè)這種情況，只有線程1自增了這個(gè)counter變量询筏，但是線程1和線程2可能隨時(shí)讀取這個(gè)counter變量榕堰。如果這個(gè)counter變量沒(méi)有被聲明為volatile，那么就無(wú)法確認(rèn)嫌套，什么時(shí)候counter的變量的值會(huì)從cpu的cache中寫回到主存中逆屡，這就意味著，counter變量的值在cpu的cache中的值可能和主存中不一樣踱讨，如下圖所示：
這個(gè)線程的問(wèn)題無(wú)法及時(shí)的看到變量的最新的值魏蔗，因?yàn)榭赡苓@個(gè)變量還沒(méi)有被另一個(gè)線程寫回到主存中。所以一個(gè)線程對(duì)一個(gè)變量的更新對(duì)其他的線程是不可見的勇蝙。這就是我們最初提出的線程的可見性問(wèn)題沫勿。
通過(guò)將一個(gè)變量聲明為volatile挨约，那么所有對(duì)這個(gè)變量寫操作會(huì)被直接寫回到主內(nèi)存中味混，所以這對(duì)線程都是可見的。而且诫惭，所有對(duì)這個(gè)變量的讀取操作翁锡，也會(huì)直接從主存中讀取，下面說(shuō)明了如何聲明一個(gè)voaltile變量：
public class SharedObject {
public volatile int counter = 0;
}
** 將一個(gè)變量聲明為volatile就可以保證寫操作夕土，其他線程對(duì)這個(gè)變量的可見性 **
Java 的 volatile關(guān)鍵字在保證可見性之前的所做的事情
從java5開始馆衔，volatile關(guān)鍵字不僅可以保證變量直接從主內(nèi)存中讀取瘟判，還有一下作用：
- 如果線程A對(duì)一個(gè)volatile變量進(jìn)行寫操作，線程B隨后讀取同一個(gè)volatile值角溃，那么在線程將變量寫操作完成之后的所有變量對(duì)線程A和B都是可見的拷获。
- 那些操作volatile變量的讀寫指令的順序無(wú)法被JVM改變（JVM有時(shí)候?yàn)榱诵蕰?huì)改變變量讀寫順序，只要JVM判斷改變順序?qū)Τ绦驔](méi)有影響的話）减细。
上面兩段話不是很理解匆瓜，我們接下來(lái)進(jìn)行一個(gè)更細(xì)致的說(shuō)明：
當(dāng)一個(gè)線程對(duì)一個(gè)volatile變量進(jìn)行寫操作的時(shí)候，不僅僅是這個(gè)變量自己被寫入到主存中未蝌，同時(shí)驮吱，其他所有在這之前被改變值的變量也都會(huì)線程先寫入到主存中。
當(dāng)一個(gè)線程對(duì)一個(gè)volatile變量進(jìn)行讀取操作萧吠，他也會(huì)將所有跟著那個(gè)volatile變量一起寫入到主存中的其他所有變量一起讀出來(lái)左冬。
看下面這個(gè)例子：
Thread A:
sharedObject.nonVolatile = 123;
sharedObject.counter = sharedObject.counter + 1;
Thread B:
int counter = sharedObject.counter;
int nonVolatile = sharedObject.nonVolatile;
因?yàn)榫€程A在對(duì)volatile的sharedObject.counter進(jìn)行寫操作之前，先對(duì)sharedObject.nonVolatile變量進(jìn)行寫操作纸型，所以當(dāng)線程A要將volatile的sharedObject.counter寫回到主存時(shí)拇砰，這兩個(gè)變量都會(huì)被寫回到主存中。
同理绊袋，線程B在讀取volatile變量到sharedObject.counter的時(shí)候毕匀，兩個(gè)變量sharedObject.counter and sharedObject.nonVolatile所以線程讀取變量sharedObject.nonVolatile就會(huì)看到他被線程A改變后的值。
開發(fā)者可以利用這個(gè)擴(kuò)展的可見性去放大線程間的變量可見性癌别，不需要將每一個(gè)變量都聲明為volatile皂岔，只需要聲明一兩個(gè)變量為volatile就可以了。下面這個(gè)簡(jiǎn)單的例子展姐，就來(lái)說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題：
public class Exchanger {
private Object object = null;
private volatile hasNewObject = false;
public void put(Object newObject) {
while(hasNewObject) {
//wait - do not overwrite existing new object
}
object = newObject;
hasNewObject = true; //volatile write
}
public Object take(){
while(!hasNewObject){ //volatile read
//wait - don't take old object (or null)
}
Object obj = object;
hasNewObject = false; //volatile write
return obj;
}
}
線程A可能會(huì)調(diào)用put方法將objects put進(jìn)去躁垛，線程B可能會(huì)調(diào)用take方法將object拿出來(lái)。這個(gè)類可以正常工作圾笨，只要我們使用一個(gè)volatile變量即可（不使用同步語(yǔ)句）教馆，只要只有線程A調(diào)用put，只有線程B調(diào)用take擂达。
然后土铺，JVM有時(shí)候?yàn)榱颂岣咝剩赡軙?huì)改變指令執(zhí)行的順序板鬓，只要JVM判斷這樣做不改變指令的語(yǔ)義悲敷，那么就有可能改變指令的順序。那么如果JVM改變了指令的執(zhí)行順序會(huì)發(fā)生什么呢俭令？put方法可能會(huì)像下面這樣執(zhí)行：
while(hasNewObject) {
//wait - do not overwrite existing new object
}
hasNewObject = true; //volatile write
object = newObject;
我們觀察到后德，現(xiàn)在對(duì)于volatile的hasNewObject 操作在object = newObject;之前執(zhí)行，這說(shuō)明抄腔，object還沒(méi)有真正被賦值新對(duì)象瓢湃，但是hasNewObject 已經(jīng)先變?yōu)閠rue了理张。對(duì)于JVM來(lái)說(shuō)，這種交換是完全有可能的绵患。因?yàn)檫@兩個(gè)write的指令彼此不是互相依賴的雾叭。
但是這樣交換順序之后可能會(huì)對(duì)object變量的可見性產(chǎn)生不好的影響。首先落蝙，線程B可能會(huì)在線程A真正給object寫入一個(gè)新值之前拷况，就看到hasNewObject 變?yōu)閠rue。
另一方面掘殴，我們無(wú)法確保object什么時(shí)候會(huì)被真正寫入到主內(nèi)存中赚瘦。
為了防止上面這種情況的發(fā)生，volatile關(guān)鍵字就提出了一種“happens before guarantee”奏寨，這可以保證volatile的變量的讀寫指令不會(huì)被重新排序起意。指令前面的和后面的可以隨意排序，但是volatile變量的讀寫指令的相對(duì)順序是不能改變的病瞳。
看下面這個(gè)例子就能理解了：
sharedObject.nonVolatile1 = 123;
sharedObject.nonVolatile2 = 456;
sharedObject.nonVolatile3 = 789;
sharedObject.volatile = true; //a volatile variable
int someValue1 = sharedObject.nonVolatile4;
int someValue2 = sharedObject.nonVolatile5;
int someValue3 = sharedObject.nonVolatile6;
JVM可能會(huì)改變前三個(gè)指令的順序揽咕，只要他們?cè)趘olatile的寫指令之前發(fā)生（就是說(shuō)他們必須在volatile的寫指令之前發(fā)生）。
同理套菜，JVM也可能改變后三個(gè)指令的順序亲善，只要他們?cè)趘olatile的寫指令之后發(fā)生。
這就是對(duì)于Java的 volatile happens before guarantee.的最基本的理解
Volatile有時(shí)候也是不夠的
雖然volatile可以保證讀取操作直接從主內(nèi)存中的讀取逗柴，寫操作直接寫到內(nèi)存中蛹头，但仍然存在一些情況下，光使用volatile關(guān)鍵字是不夠的戏溺。
在之前的舉例的程序中渣蜗，只有一個(gè)線程在向共享變量寫入數(shù)據(jù)的時(shí)候，聲明為volatile旷祸，另一個(gè)線程就可以一直看到最新被寫入的值耕拷。
實(shí)際上，只要新值不依賴舊值的情況下托享，多個(gè)線程同時(shí)向共享的volatile變量里寫入數(shù)據(jù)時(shí)骚烧，仍然能在主內(nèi)存中得到正確的值。換句話說(shuō)闰围，就是這個(gè)volatile變量值更新的時(shí)候赃绊，不需要先讀取出他以前的值才能得到下一個(gè)值。
只要一個(gè)線程需要先讀取一個(gè)voaltile變量辫诅，然后必須基于他的值才能產(chǎn)生新的值凭戴，那么volatile關(guān)鍵字就不再能保證變量的可見性了涧狮。在讀取變量和寫入變量的時(shí)候炕矮，存在一個(gè)短的時(shí)間間隙么夫，這就會(huì)造成，多個(gè)線程可能會(huì)在這個(gè)間隙讀取同一個(gè)值肤视，產(chǎn)生一個(gè)新值档痪，然后寫入到主內(nèi)存中，將其他線程對(duì)值的改變給覆蓋了邢滑。
所以常見的情況就是如果一個(gè)volatile變量在進(jìn)行自增或者自減操作腐螟，那么這時(shí)候使用volatile就可能出問(wèn)題。
接下來(lái)我們更深入的討論這個(gè)問(wèn)題困后，假設(shè)線程1讀取一個(gè)共享的counter變量到cpu的cache中乐纸，此時(shí)他的值是0，然后給它自增加一摇予，但是還沒(méi)有寫到主存中汽绢，所以主存中還是1，線程2也能夠讀取同一個(gè)counter變量侧戴，而這個(gè)變量讀取的時(shí)候還是0宁昭，在他自己的cpucache中，這樣就出現(xiàn)問(wèn)題了：
線程1和線程2實(shí)際上是不同步的酗宋。共享變量counter的真實(shí)值實(shí)際上應(yīng)該為2积仗，因?yàn)楸患恿藘纱危敲總€(gè)線程在自己的cache上存的值是1蜕猫，而且在主存中這個(gè)值仍然是0寂曹，這就變得很混亂。即使線程最后將值寫回到主存中回右，但最后的值也是不正確的稀颁。
什么時(shí)候volatile足夠了
前文中提到，如果兩個(gè)線程都在對(duì)volatile變量進(jìn)行讀寫操作楣黍，那么僅僅使用volatile關(guān)鍵字是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的匾灶。你需要使用synchronize關(guān)鍵字，來(lái)保證讀寫操作的原子性租漂。
但如果是只有一個(gè)線程在讀寫volatile變量阶女，另外的多個(gè)線程僅僅是讀取這個(gè)變量的話，那么這就可以保證哩治，其他讀線程所看到的變量值都是最新的秃踩。volatile關(guān)鍵字可以使用在32位或者64位的變量上。
volatile關(guān)鍵字對(duì)效率的影響
讀寫一個(gè)volatile變量的時(shí)候业筏，會(huì)導(dǎo)致變量直接在主存中讀寫憔杨，顯然，直接從主存中讀寫速度要比從cache中來(lái)得慢蒜胖。另一方面消别，操作volatile變量的時(shí)候不能改變指令的執(zhí)行順序抛蚤，這一定程度上也會(huì)影響讀寫的效率。所以寻狂，只有我們需要確保變量可見性的時(shí)候岁经，才會(huì)使用volatile關(guān)鍵字。
