JUC并发编程之volatile详解

1. volatile

1. volatile

在并发编程中，多线程操作共享的变量时，可能会导致线程安全问题，如数据竞争、可见性问题等。为了解决这些问题，Java提供了JUC（java.util.concurrent）工具包，其中包含了很多用于处理并发编程的工具类和接口。在JUC中，volatile是一个关键字，它可以用于修饰变量，用来确保变量的可见性和禁止指令重排序，从而在一定程度上解决线程安全问题。

1.1 `volatile`关键字的作用

1.1.1 变量可见性

在多线程环境下，如果一个线程修改了共享变量的值，其他线程可能由于线程间的数据不一致性而看不到该变量的最新值。这种问题称为“变量不可见性”或“可见性问题”。

volatile关键字可以确保被修饰的变量对所有线程可见。当一个线程修改了volatile变量的值，其他线程立即能够看到修改后的最新值，而不会使用缓存中的旧值。

1.1.2 禁止指令重排序

在JVM（Java虚拟机）中，为了优化性能，编译器和处理器可能会对指令进行重排序。在单线程环境下，这种重排序不会影响程序的执行结果。然而，在多线程环境下，指令重排序可能会导致线程安全问题。

volatile关键字可以防止指令重排序，确保被修饰的变量按照代码中的顺序执行。

1.2 volatile可见性案例

public class VolatileExample {
    private static volatile boolean flag = false;

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            while (!flag) {
                System.out.println("Waiting for the flag to be true...");
            }
            System.out.println("Flag is now true. Exiting the thread.");
        }).start();

        try {
            Thread.sleep(1000); // 确保主线程在子线程之前执行
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println("Setting the flag to true...");
        flag = true;
    }
}

在上面的示例中，我们创建了一个VolatileExample类，并声明了一个volatile类型的flag变量。在主线程中，我们启动一个新的子线程，该子线程会不断地检查flag变量的值，直到flag变为true时，子线程退出。

在主线程中，我们将flag变量设置为true。由于flag变量被声明为volatile类型，子线程能够及时看到flag的最新值，从而退出循环，输出“Flag is now true. Exiting the thread.”。

这个示例演示了volatile关键字的作用，确保了flag变量的可见性。如果我们没有使用volatile关键字，子线程可能会一直循环下去，因为它看不到主线程对flag的修改。

1.3 volatile非原子性案例

public class Test {


    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        VolatileAtomicityExample example = new VolatileAtomicityExample();
        for(int i=1;i<=100;i++){
            new Thread(()->{
                for(int j=1;j<=1000;j++)
                    example.increment();
            },String.valueOf(i)).start();
        }
        TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
        System.out.println(example.getCount());


    }

}
class VolatileAtomicityExample {
    volatile int count = 0;

    public  void increment() {
        count++;
    }

    public int getCount() {
        return count;
    }
}

我们创建了一个VolatileAtomicityExample类，其中的成员变量count被声明为volatile类型。然后，我们创建了100个线程，每个线程分别执行1000次increment()操作，对count进行自增。最后，我们在主线程中打印count的最终值。以上示例中的输出结果可能会因为运行时的不确定性而有所不同。每次运行时可能得到不同的结果，但通常结果都小于100000。为了解决这个问题，我们需要使用synchronized关键字或其他线程安全机制来确保increment()方法的原子性。

这是什么原因呢？

对于volatile变量具备可见性，JVM只是保证从主内存加载到线程工作内存的值是最新的，也仅是数据加载时是最新的。但是多线程环境下，”数据计算”和”数据赋值”操作可能多次出现，若数据在加载之后，若主内存volatile修饰变量发生修改之后，线程工作内存中的操作将会作废去读主内存最新值，操作出现写丢失问题。即各线程私有内存和主内存公共内存中变量不同步，进而导致数据不一致。由此可见volatile解决的是变量读时的可见性问题，但无法保证原子性，对于多线程修改主内存共享变量的场景必须使用加锁同步。

1.4 volatile 禁止重排序

内存屏障是一种硬件指令或者编译器指令，用于控制内存操作的顺序，以确保多线程环境下的内存可见性和正确的执行顺序。

内存屏障分为两种类型：

内存读屏障（Load Barrier）：它是一个特殊的硬件或者编译器指令，用于保证在内存读取操作之前，所有的先行写操作都已经完成，并且其结果对当前线程可见。也就是说，读屏障可以防止后续读取指令重排序到读屏障之前的位置。
内存写屏障（Store Barrier）：它是一个特殊的硬件或者编译器指令，用于保证在内存写入操作之前，所有的先行写操作和写屏障之前的写操作都已经完成，并且其结果对其他线程可见。也就是说，写屏障可以防止前面的写入指令重排序到写屏障之后的位置。

volatile关键字通过内存屏障来保证变量的读写操作不会被重排序。具体来说，对于volatile变量的写操作，在写入变量之后会插入写屏障，这样可以防止其他指令重排序到写屏障之前。类似地，对于volatile变量的读操作，在读取变量之前会插入读屏障，这样可以防止其他指令重排序到读屏障之前。

通过这种方式，volatile关键字确保了对变量的读写操作具有一定的有序性，从而保证了多线程环境下的内存可见性和正确的执行顺序。

1.5 volatile 日常使用场景

状态标志：当一个线程修改了某个状态标志，其他线程需要立即看到最新的状态。这时可以使用volatile关键字修饰状态标志，保证其在多线程之间的可见性。例如：

public class Task implements Runnable {
    private volatile boolean isRunning = true;

    @Override
    public void run() {
        while (isRunning) {
            // 执行任务逻辑
        }
    }

    public void stop() {
        isRunning = false;
    }
}

双重检查锁定（Double-Checked Locking）：在多线程环境下，当需要延迟初始化一个对象时，为了避免重复初始化，常常使用双重检查锁定。在这种情况下，需要使用volatile关键字来确保对象在多线程环境中的可见性。例如：

public class Singleton {
    private volatile static Singleton instance;

    private Singleton() {}

    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

在上述代码中，我们实现了一个简单的单例模式。在getInstance()方法中，我们使用双重检查锁定来实现延迟初始化，确保只有在instance为空时才创建新的Singleton实例。

然而，在多线程环境下，由于指令重排序的存在，可能会导致以下问题：

对象引用不为空但尚未初始化：在线程A执行完instance = new Singleton();这一行之前，可能发生指令重排序，导致instance的引用不为空，但是Singleton实例的初始化还未完成。这样，线程B在执行return instance;时就会得到一个尚未初始化的对象，导致错误。
可见性问题：指令重排序也可能导致线程B无法及时看到线程A的初始化操作。例如，线程A对instance的赋值可能被重排到线程A的后面执行，从而线程B在读取instance时得到一个旧的引用，无法感知线程A的初始化操作。

为了解决这个问题，需要在创建Singleton实例时使用volatile关键字来保证对象的可见性和禁止指令重排序。

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