volatile关键字的特性

目录

1.volatile保证可见性

1.1 JMM内存模型

1.2 不可见性的例子

1.3 volatile保证可见性

2.volatile不保证原子性

3.volatile禁止指令重排

3.1 指令重排

3.2 禁止指令重排原理

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1.volatile保证可见性

1.1 JMM内存模型

了解可见性前，首先要知道JMM（Java内存模型），内存模型可以理解为在特定的操作协议下，对特定的内存或者高速缓存进行读写访问的过程抽象描述，不同架构下的物理机拥有不一样的内存模型，Java虚拟机是一个实现了跨平台的虚拟系统，因此它也有自己的内存模型，即Java内存模型（Java Memory Model, JMM）。本身是一种抽象的概念并不真实存在，仅仅描述的是一组约定或规范。

JMM规定了所有的变量都存储在主内存（Main Memory）中。每个线程还有自己的工作内存（Working Memory）,线程的工作内存中保存了该线程使用到的变量的主内存的副本拷贝，线程对变量的所有操作（读取、赋值等）都必须在工作内存中进行，而不能直接读写主内存中的变量。不同的线程之间也无法直接访问对方工作内存中的变量，线程之间值的传递都需要通过主内存来完成。  

1.2 不可见性的例子

public class VolatileT extends Thread{
    public static boolean flag = true;
    @Override
    public void run() {
        while (flag){
 
        }
        System.out.println("thread线程执行完毕");
    }
 
    public static void main(String[] args) {
        VolatileT thread = new VolatileT();
        thread.start();
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
 
        }
        flag = false;
        System.out.println("主线程执行结束");
    }
}

运行结果如下：

main线程修改flag的值，thread线程并不能看到flag值的变化，使用的还是第一次拿到flag=true的值，所以死循环并不会停止。

1.3 volatile保证可见性

共享变量加上volatile关键字以后：

public class VolatileT extends Thread{
    public static volatile boolean flag = true;
    @Override
    public void run() {
        while (flag){
 
        }
        System.out.println("thread线程执行完毕");
    }
 
    public static void main(String[] args) {
        VolatileT thread = new VolatileT();
        thread.start();
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
 
        }
        flag = false;
        System.out.println("主线程执行结束");
    }
}

运行结果如下：

 当变量被volatile修饰时，修改时会把工作内存修改过后的值立即刷新回主内存，另一个线程读取时，该线程的工作内存数据无效，直接从主内存中读取最新的共享变量的值。

2.volatile不保证原子性

创建10个线程，每个线程执行1000次：

public class VolatileTest2 {
    public static volatile int i = 0;
    public static void inc(){
        i++;
    }
    public static void main(String[] args) {
        for (int j = 0; j < 10; j++) {
            Thread thread = new Thread(() -> {
                for (int k = 0; k < 1000; k++) {
                    inc();
                }
            }
            );
            thread.start();
        }
        //保证创建的线程for全部执行完毕
        try {
            Thread.sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("i = "+ i);
    }
}

运行结果如下：

 可以看出，i的值很少出现等于10000的情况，由此可见，volatile并不能保证原子性。

3.volatile禁止指令重排

3.1 指令重排

指令重排：在程序执行过程中，编译器和处理器会对指令进行一定的重新排序执行，主要是为了提升性能，但是运行的结果是一样的（单线程情况下），但是在多线程情况下就会出现错误，拿new创建对象为例：

创建对象主要分为三步：

1. 为对象分配内存
2. 调用构造器方法，执行初始化
3. 将对象引用赋值给变量。

当执行时，执行的顺序可能是1 --> 2 --> 3，也可能是1 --> 3 --> 2，多线程就会出现以下问题：

线程一：执行1，3，还未执行2

线程二：此时线程二刚好访问对象，此时的对象不为null，但是并没有初始化，所以线程二使用该对象，执行就会出错。

3.2 禁止指令重排原理

内存屏障（内存栅栏）：是CPU或编译器在对内存随机访问的操作中的一个同步点，使得此点之前的所有读写操作都执行后才可以开始执行此点之后的操作。

内存屏障主要分为四种：

 Java内存模型使Java编译器在生成指令序列的适当位置会插入内存屏障指令来禁止特定类型的处理器重排序 ，保证指令按照顺序执行，而volatile是Java内存模型的实现（可见性和有序性），内存屏障也是可见性的实现原理。

总结：volatile关键字只能保证数据的可见性和有序性，不能保证原子性。