【Java并发编程】volatile（一）：保证多线程下的可见性

谁借莪１个温暖的怀抱￠ 2022-12-08 01:32 129阅读 0赞

首先抛出一个问题：“volatile 这个关键字有什么作用？”。常见的回答或许有两种：

*  一种是把 volatile 当成一种锁机制，认为给变量加上了 volatile，就好像是给函数加了 sychronized 关键字一样，不同的线程对于特定变量的访问会去加锁；
 *  另一种是把 volatile 当成一种原子化的操作机制，认为加了 volatile 之后，对于一个变量的自增的操作就会变成原子性的

事实上，这两种理解都是完全错误的。下面我们通过三个连续的小 demo 来看看 volatile 到底有什么用。

简单来说，使用 volatile，将会强制我们对成员变量的读/写都直接与内存

将会强制所有线程都去堆内存中读取成员变量最新的值，而不是读取自己线程工作空间的缓存。

> 注：volatile 并不能保证多个线程共同修改成员变量时所带来的不一致问题，也就是说 volatile 不能替代 synchronized

**volatile 作用示例**

我们先来一起看一段 Java 程序。这是一段经典的 volatile 代码，来自知名的 Java 开发者网站 dzone.com，后续我们会修改这段代码来进行各种小实验。

### 1.代码示例一 ###

public class VolatileTest {
          
    
    	// volatile修饰
        private static volatile int COUNTER = 0; 
     
        public static void main(String[] args) {
          
        	// 启动ChangeListener线程  
            new ChangeListener().start();  
            // 启动ChangeMaker线程
            new ChangeMaker().start(); 
        }
     	
     	// ChangeListener 线程
        // 监听COUNTER变量，当COUNTER发生变化时就将变化的值打印出来
        static class ChangeListener extends Thread {
        
            @Override     
            public void run() {
           
            	// threadValue，用于对比 COUNTER 是否发生变化
            	// 将 COUNTER 的值赋给 threadValue 变量
                int threadValue = COUNTER;  
                while (threadValue < 5){
                 
                	// 当 COUNTER 发生变化，打印
                    if( threadValue!= COUNTER){
             
                        System.out.println("Got Change for COUNTER : " + COUNTER + ""); 
                        threadValue= COUNTER;            
                    }     
                }    
            }  
        }
        
       // ChangeMaker 线程
       // 监听COUNTER变量，当COUNTER小于5时就每个500毫秒将COUNTER自增1
       static class ChangeMaker extends Thread{
           
           @Override 
           public void run() {
          
               int threadValue = COUNTER;  
               while (COUNTER <5){
                     
                   System.out.println("Incrementing COUNTER to : " + (threadValue+1) + "");  
                   // COUNTER++
                   COUNTER = ++threadValue;     
                   try {
                         
                       Thread.sleep(500);      
                   } catch (InterruptedException e) {
         
                       e.printStackTrace(); 
                   }    
               }     
           }  
       }
    }

程序的输出结果并不让人意外。ChangeMaker 函数会一次一次将 COUNTER 从 0 增加到 5。因为这个自增是每 500 毫秒一次，而 ChangeListener 去监听 COUNTER 是忙等待的，所以每一次自增都会被 ChangeListener 监听到，然后对应的结果就会被打印出来

Incrementing COUNTER to : 1 
    Got Change for COUNTER : 1
    Incrementing COUNTER to : 2 
    Got Change for COUNTER : 2
    Incrementing COUNTER to : 3
    Got Change for COUNTER : 3 
    Incrementing COUNTER to : 4 
    Got Change for COUNTER : 4 
    Incrementing COUNTER to : 5
    Got Change for COUNTER : 5

### 2.代码示例二 ###

这个时候，如果我们把上面的程序小小地修改一行代码，把我们定义 COUNTER 这个变量的时候，设置的 volatile 关键字给去掉，会发生什么事情呢？

private static int COUNTER = 0;

结果是 ChangeMaker 还是能正常工作的，每隔 500ms 仍然能够对 COUNTER 自增 1，但是 ChangeListener 不再工作了。在 ChangeListener 眼里，它似乎一直觉得 COUNTER 的 值还是一开始的 0。似乎 COUNTER 的变化，对于我们的 ChangeListener 彻底“隐身”了。

Incrementing COUNTER to : 1 
    Incrementing COUNTER to : 2 
    Incrementing COUNTER to : 3 
    Incrementing COUNTER to : 4 
    Incrementing COUNTER to : 5

### 3.代码示例三 ###

这个有意思的小程序还没有结束，我们可以再对程序做一些小小的修改。我们不再让 ChangeListener 进行完全的忙等待，而是在 while 循环里面，小小地等待上 5 毫秒，看看 会发生什么情况。

static class ChangeListener extends Thread {
        
    
        @Override  
        public void run() {
           
            int threadValue = COUNTER;  
            while ( threadValue < 5){
             
                if( threadValue!= COUNTER){
           
                    System.out.println("Sleep 5ms, Got Change for COUNTER : " + COUNTER + "");
                    threadValue= COUNTER;       
                 }        
                 try {
                   
                     Thread.sleep(5);    
                 } catch (InterruptedException e) {
         
                     e.printStackTrace();
                 }     
             }   
        } 
     }

又一个令人惊奇的现象要发生了。虽然我们的 COUNTER 变量，仍然没有设置 volatile 这个关键字，但是我们的 ChangeListener 似乎“睡醒了”。在通过 Thread.sleep(5) 在每个循环里“睡上“5 毫秒之后， ChangeListener 又能够正常取到 COUNTER 的值了。

Incrementing COUNTER to : 1 
    Sleep 5ms, Got Change for COUNTER : 1 
    Incrementing COUNTER to : 2 
    Sleep 5ms, Got Change for COUNTER : 2 
    Incrementing COUNTER to : 3 
    Sleep 5ms, Got Change for COUNTER : 3 
    Incrementing COUNTER to : 4 
    Sleep 5ms, Got Change for COUNTER : 4 
    Incrementing COUNTER to : 5 
    Sleep 5ms, Got Change for COUNTER : 5

### => volatile 作用 ###

这些有意思的现象，其实来自于我们的 Java 内存模型以及关键字 volatile 的含义。那 volatile 关键字究竟代表什么含义呢？**它会确保我们对于这个变量的读取和写入，都一定会同步到主内存里，而不是从线程的 Cache 里面读取**。该怎么理解这个解释呢？我们通过刚才的例子来进行分析。

*  刚刚第一个使用了 volatile 关键字的例子里，因为所有数据的读和写都来自主内存。那么自然地，我们的 ChangeMaker 和 ChangeListener 之间，看到的 COUNTER 值就是一样的。
 *  到了第二段进行小小修改的时候，我们去掉了 volatile 关键字。这个时候， ChangeListener 又是一个忙等待的循环，它尝试不停地获取 COUNTER 的值，这样就会从当前线程的“Cache”里面获取。于是，**这个线程就没有时间从主内存里面同步更新后的 COUNTER 值**。这样，它就一直卡死在 COUNTER=0 的死循环上了。
 *  而到了我们再次修改的第三段代码里面，虽然还是没有使用 volatile 关键字，但是短短 5ms 的 Thead.Sleep 给了这个线程喘息之机。既然这个线程没有这么忙了，它也就**有机会把新的数据从主内存同步到自己的高速缓存里面了**。于是，ChangeListener 在下一次查 看 COUNTER 值的时候，就能看到 ChangeMaker 造成的变化了。

虽然 Java 内存模型是一个隔离了硬件实现的虚拟机内的抽象模型，但是它给了我们一个很好的“缓存同步”问题的示例。也就是说，如果我们的数据，在不同的线程或者 CPU 核里面去更新，因为不同的线程或 CPU 核有着自己各自的缓存，很有可能在 A 线程的更新，到 B 线程里面是看不见的。

**扩展：为什么会出现可见性问题？**

事实上，我们可以把 Java 内存模型和计算机组成里的 CPU 结构对照起来看。

我们现在用的 Intel CPU，通常都是多核的的。每一个 CPU 核里面，都有独立属于自己的 L1、L2 的 Cache，然后再有多个 CPU 核共用的 L3 的 Cache、主内存。

因为 CPU Cache 的访问速度要比主内存快很多，而在 CPU Cache 里面，L1/L2 的 Cache 也要比 L3 的 Cache 快。所以，CPU 始终都是尽可能地从 CPU Cache 中去获取数据，而不是每一次都要从主内存里面去读取数据。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNTkyNw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

这个层级结构，就好像我们在 Java 内存模型里面，每一个线程都有属于自己的线程栈。线程在读取 COUNTER 的数据的时候，其实是从本地的线程栈的 Cache 副本里面读取数据， 而不是从主内存里面读取数据。

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