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Java中Volatile的作用實(shí)例解析

更新時(shí)間：2018年07月08日 16:50:36 作者：silion世

本篇文章給大家通過實(shí)例分享了Java中Volatile的作用，有興趣的朋友可以學(xué)習(xí)參考下。

Java 語言中的 volatile 變量可以被看作是一種 “程度較輕的 synchronized”；與 synchronized 塊相比，volatile 變量所需的編碼較少，并且運(yùn)行時(shí)開銷也較少，但是它所能實(shí)現(xiàn)的功能也僅是 synchronized 的一部分。

鎖

鎖提供了兩種主要特性：互斥（mutual exclusion）和可見性（visibility）。

互斥即一次只允許一個(gè)線程持有某個(gè)特定的鎖，因此可使用該特性實(shí)現(xiàn)對(duì)共享數(shù)據(jù)的協(xié)調(diào)訪問協(xié)議，這樣，一次就只有一個(gè)線程能夠使用該共享數(shù)據(jù)。
可見性要更加復(fù)雜一些，它必須確保釋放鎖之前對(duì)共享數(shù)據(jù)做出的更改對(duì)于隨后獲得該鎖的另一個(gè)線程是可見的 —— 如果沒有同步機(jī)制提供的這種可見性保證，線程看到的共享變量可能是修改前的值或不一致的值，這將引發(fā)許多嚴(yán)重問題。

Volatile變量

volatile 變量具有 synchronized 的可見性特性，但是不具備原子特性。這就是說線程能夠自動(dòng)發(fā)現(xiàn) volatile 變量的最新值。

Volatile 變量可用于提供線程安全，但是只能應(yīng)用于非常有限的一組用例：多個(gè)變量之間或者某個(gè)變量的當(dāng)前值與修改后值之間沒有約束。因此，單獨(dú)使用 volatile 還不足以實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器、互斥鎖或任何具有與多個(gè)變量相關(guān)的不變式（Invariants）的類（例如 “start <=end”）。

出于簡易性或可伸縮性的考慮，您可能傾向于使用 volatile 變量而不是鎖。當(dāng)使用 volatile 變量而非鎖時(shí)，某些習(xí)慣用法（idiom）更加易于編碼和閱讀。此外，volatile 變量不會(huì)像鎖那樣造成線程阻塞，因此也很少造成可伸縮性問題。在某些情況下，如果讀操作遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于寫操作，volatile 變量還可以提供優(yōu)于鎖的性能優(yōu)勢(shì)。

正確使用 volatile 變量的條件

您只能在有限的一些情形下使用 volatile 變量替代鎖。要使 volatile 變量提供理想的線程安全，必須同時(shí)滿足下面兩個(gè)條件：
對(duì)變量的寫操作不依賴于當(dāng)前值。

該變量沒有包含在具有其他變量的不變式中。

實(shí)際上，這些條件表明，可以被寫入 volatile 變量的這些有效值獨(dú)立于任何程序的狀態(tài)，包括變量的當(dāng)前狀態(tài)。

第一個(gè)條件的限制使 volatile 變量不能用作線程安全計(jì)數(shù)器。雖然增量操作（x++）看上去類似一個(gè)單獨(dú)操作，實(shí)際上它是一個(gè)由讀?。薷模瓕懭氩僮餍蛄薪M成的組合操作，必須以原子方式執(zhí)行，而 volatile 不能提供必須的原子特性。實(shí)現(xiàn)正確的操作需要使 x 的值在操作期間保持不變，而 volatile 變量無法實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)。（然而，如果將值調(diào)整為只從單個(gè)線程寫入，那么可以忽略第一個(gè)條件。）

大多數(shù)編程情形都會(huì)與這兩個(gè)條件的其中之一沖突，使得 volatile 變量不能像 synchronized 那樣普遍適用于實(shí)現(xiàn)線程安全。清單 1 顯示了一個(gè)非線程安全的數(shù)值范圍類。它包含了一個(gè)不變式 —— 下界總是小于或等于上界。

舉例

下面看一個(gè)例子，我們實(shí)現(xiàn)一個(gè)計(jì)數(shù)器，每次線程啟動(dòng)的時(shí)候，會(huì)調(diào)用計(jì)數(shù)器inc方法，對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行加一
執(zhí)行環(huán)境——jdk版本：jdk1.6.0_31 ，內(nèi)存：3G cpu：x86 2.4G

public class Counter { 

 public static int count = 0; 

 public static void inc() { 

  //這里延遲1毫秒，使得結(jié)果明顯 
  try { 
   Thread.sleep(1); 
  } catch (InterruptedException e) { 
  } 

  count++; 
 } 

 public static void main(String[] args) { 

  //同時(shí)啟動(dòng)1000個(gè)線程，去進(jìn)行i++計(jì)算，看看實(shí)際結(jié)果 

  for (int i = 0; i < 1000; i++) { 
   new Thread(new Runnable() { 
    @Override
    public void run() { 
     Counter.inc(); 
    } 
   }).start(); 
  } 

  //這里每次運(yùn)行的值都有可能不同,可能為1000 
  System.out.println("運(yùn)行結(jié)果:Counter.count=" + Counter.count); 
 } 
}

運(yùn)行結(jié)果:Counter.count=995

實(shí)際運(yùn)算結(jié)果每次可能都不一樣，本機(jī)的結(jié)果為：運(yùn)行結(jié)果:Counter.count=995，可以看出，在多線程的環(huán)境下，Counter.count并沒有期望結(jié)果是1000

很多人以為，這個(gè)是多線程并發(fā)問題，只需要在變量count之前加上volatile就可以避免這個(gè)問題，那我們?cè)谛薷拇a看看，看看結(jié)果是不是符合我們的期望

public class Counter { 

 public volatile static int count = 0; 

 public static void inc() { 

  //這里延遲1毫秒，使得結(jié)果明顯 
  try { 
   Thread.sleep(1); 
  } catch (InterruptedException e) { 
  } 

  count++; 
 } 

 public static void main(String[] args) { 

  //同時(shí)啟動(dòng)1000個(gè)線程，去進(jìn)行i++計(jì)算，看看實(shí)際結(jié)果 

  for (int i = 0; i < 1000; i++) { 
   new Thread(new Runnable() { 
    @Override
    public void run() { 
     Counter.inc(); 
    } 
   }).start(); 
  } 

  //這里每次運(yùn)行的值都有可能不同,可能為1000 
  System.out.println("運(yùn)行結(jié)果:Counter.count=" + Counter.count); 
 } 
}

運(yùn)行結(jié)果:Counter.count=992

運(yùn)行結(jié)果還是沒有我們期望的1000，下面我們分析一下原因

在 java 垃圾回收整理一文中，描述了jvm運(yùn)行時(shí)刻內(nèi)存的分配。其中有一個(gè)內(nèi)存區(qū)域是jvm虛擬機(jī)棧，每一個(gè)線程運(yùn)行時(shí)都有一個(gè)線程棧，線程棧保存了線程運(yùn)行時(shí)候變量值信息。當(dāng)線程訪問某一個(gè)對(duì)象時(shí)候值的時(shí)候，首先通過對(duì)象的引用找到對(duì)應(yīng)在堆內(nèi)存的變量的值，然后把堆內(nèi)存變量的具體值load到線程本地內(nèi)存中，建立一個(gè)變量副本，之后線程就不再和對(duì)象在堆內(nèi)存變量值有任何關(guān)系，而是直接修改副本變量的值，在修改完之后的某一個(gè)時(shí)刻（線程退出之前），自動(dòng)把線程變量副本的值回寫到對(duì)象在堆中變量。這樣在堆中的對(duì)象的值就產(chǎn)生變化了。下面一幅圖描述這寫交互

ead and load 從主存復(fù)制變量到當(dāng)前工作內(nèi)存

use and assign 執(zhí)行代碼，改變共享變量值

store and write 用工作內(nèi)存數(shù)據(jù)刷新主存相關(guān)內(nèi)容

其中use and assign 可以多次出現(xiàn)

但是這一些操作并不是原子性，也就是在read load之后，如果主內(nèi)存count變量發(fā)生修改之后，線程工作內(nèi)存中的值由于已經(jīng)加載，不會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的變化，所以計(jì)算出來的結(jié)果會(huì)和預(yù)期不一樣

對(duì)于volatile修飾的變量，jvm虛擬機(jī)只是保證從主內(nèi)存加載到線程工作內(nèi)存的值是最新的

例如假如線程1，線程2 在進(jìn)行read,load 操作中，發(fā)現(xiàn)主內(nèi)存中count的值都是5，那么都會(huì)加載這個(gè)最新的值

在線程1堆count進(jìn)行修改之后，會(huì)write到主內(nèi)存中，主內(nèi)存中的count變量就會(huì)變?yōu)?

線程2由于已經(jīng)進(jìn)行read,load操作，在進(jìn)行運(yùn)算之后，也會(huì)更新主內(nèi)存count的變量值為6

導(dǎo)致兩個(gè)線程及時(shí)用volatile關(guān)鍵字修改之后，還是會(huì)存在并發(fā)的情況。

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