跳至主要內容

Java volatile关键字解析

沉默王二Java核心Java并发编程约 3065 字大约 10 分钟

“三妹啊，这节我们来学习 Java 中的 volatile 关键字吧，以及容易遇到的坑。”看着三妹好学的样子，我倍感欣慰。

“好呀，哥。”三妹愉快的答应了。

这是我们在《二哥的 Java 进阶之路基础篇》中常见的对话模式，老读者应该对这种模式不陌生。

在讲并发编程带来了哪些问题的时候，我们提到了可见性和原子性，那我现在可以直接告诉大家了：volatile 可以保证可见性，但不保证原子性：

  • 当写一个 volatile 变量时，JMM 会把该线程在本地内存中的变量强制刷新到主内存中去；
  • 这个写操作会导致其他线程中的 volatile 变量缓存无效。

volatile 会禁止指令重排

在讲 JMM 的时候，我们提到了指令重排，相信大家都还有印象，我们来回顾一下重排序需要遵守的规则：

  • 重排序不会对存在数据依赖关系的操作进行重排序。比如：a=1;b=a; 这个指令序列，因为第二个操作依赖于第一个操作，所以在编译时和处理器运行时这两个操作不会被重排序。
  • 重排序是为了优化性能，但是不管怎么重排序，单线程下程序的执行结果不能被改变。比如：a=1;b=2;c=a+b 这三个操作，第一步 (a=1) 和第二步 (b=2) 由于不存在数据依赖关系，所以可能会发生重排序，但是 c=a+b 这个操作是不会被重排序的，因为需要保证最终的结果一定是 c=a+b=3。

使用 volatile 关键字修饰共享变量可以禁止这种重排序。怎么做到的呢？

当我们使用 volatile 关键字来修饰一个变量时，Java 内存模型会插入内存屏障（一个处理器指令，可以对 CPU 或编译器重排序做出约束）来确保以下两点：

  • 写屏障（Write Barrier）：当一个 volatile 变量被写入时，写屏障确保在该屏障之前的所有变量的写入操作都提交到主内存。
  • 读屏障（Read Barrier）：当读取一个 volatile 变量时，读屏障确保在该屏障之后的所有读操作都从主内存中读取。

换句话说：

  • 当程序执行到 volatile 变量的读操作或者写操作时，在其前面操作的更改肯定已经全部进行，且结果对后面的操作可见；在其后面的操作肯定还没有进行；
  • 在进行指令优化时，不能将 volatile 变量的语句放在其后面执行，也不能把 volatile 变量后面的语句放到其前面执行。

“也就是说，执行到 volatile 变量时，其前面的所有语句都必须执行完，后面所有得语句都未执行。且前面语句的结果对 volatile 变量及其后面语句可见。”我瞅了了三妹一眼继续说。

先看下面未使用 volatile 的代码：

class ReorderExample {
  int a = 0;
  boolean flag = false;
  public void writer() {
      a = 1;                   //1
      flag = true;             //2
  }
  public void reader() {
      if (flag) {                //3
          int i = a * a;         //4
          System.out.println(i);
      }
  }
}

因为重排序影响，所以最终的输出可能是 0，重排序请参考上一篇 JMM 的介绍，如果引入 volatile，我们再看一下代码：

class ReorderExample {
  int a = 0;
  boolean volatile flag = false;
  public void writer() {
      a = 1;                   //1
      flag = true;             //2
  }
  public void reader() {
      if (flag) {                //3
          int i = a * a;         //4
          System.out.println(i);
      }
  }
}

这时候，volatile 会禁止指令重排序，这个过程建立在 happens before 关系（上一篇介绍过了）的基础上：

  1. 根据程序次序规则，1 happens before 2; 3 happens before 4。
  2. 根据 volatile 规则，2 happens before 3。
  3. 根据 happens before 的传递性规则，1 happens before 4。

上述 happens before 关系的图形化表现形式如下：

在上图中，每一个箭头链接的两个节点，代表了一个 happens before 关系:

  • 黑色箭头表示程序顺序规则；
  • 橙色箭头表示 volatile 规则；
  • 蓝色箭头表示组合这些规则后提供的 happens before 保证。

这里 A 线程写一个 volatile 变量后，B 线程读同一个 volatile 变量。A 线程在写 volatile 变量之前所有可见的共享变量，在 B 线程读同一个 volatile 变量后，将立即变得对 B 线程可见。

volatile 不适用的场景

下面是变量自加的示例：

public class volatileTest {
    public volatile int inc = 0;
    public void increase() {
        inc++;
    }
    public static void main(String[] args) {
        final volatileTest test = new volatileTest();
        for(int i=0;i<10;i++){
            new Thread(){
                public void run() {
                    for(int j=0;j<1000;j++)
                        test.increase();
                };
            }.start();
        }
        while(Thread.activeCount()>1)  //保证前面的线程都执行完
            Thread.yield();
        System.out.println("inc output:" + test.inc);
    }
}

测试输出：

inc output:8182

“为什么呀？二哥？” 看到这个结果，三妹疑惑地问。

“因为 inc++不是一个原子性操作（前面讲过），由读取、加、赋值 3 步组成，所以结果并不能达到 10000。”我耐心地回答。

“哦，你这样说我就理解了。”三妹点点头。

怎么解决呢？

01、采用 synchronized（下一篇会讲，戳链接直达），把 inc++ 拎出来单独加 synchronized 关键字：

public class volatileTest1 {
    public int inc = 0;
    public synchronized void increase() {
        inc++;
    }
    public static void main(String[] args) {
        final volatileTest1 test = new volatileTest1();
        for(int i=0;i<10;i++){
            new Thread(){
                public void run() {
                    for(int j=0;j<1000;j++)
                        test.increase();
                };
            }.start();
        }
        while(Thread.activeCount()>1)  //保证前面的线程都执行完
            Thread.yield();
        System.out.println("add synchronized, inc output:" + test.inc);
    }
}

02、采用 Lock，通过重入锁 ReentrantLock 对 inc++ 加锁（后面都会细讲，戳链接直达）：

public class volatileTest2 {
    public int inc = 0;
    Lock lock = new ReentrantLock();
    public void increase() {
        lock.lock();
        inc++;
        lock.unlock();
    }
    public static void main(String[] args) {
        final volatileTest2 test = new volatileTest2();
        for(int i=0;i<10;i++){
            new Thread(){
                public void run() {
                    for(int j=0;j<1000;j++)
                        test.increase();
                };
            }.start();
        }
        while(Thread.activeCount()>1)  //保证前面的线程都执行完
            Thread.yield();
        System.out.println("add lock, inc output:" + test.inc);
    }
}

03、采用原子类 AtomicInteger（后面也会细讲，戳链接直达）来实现：

public class volatileTest3 {
    public AtomicInteger inc = new AtomicInteger();
    public void increase() {
        inc.getAndIncrement();
    }
    public static void main(String[] args) {
        final volatileTest3 test = new volatileTest3();
        for(int i=0;i<10;i++){
            new Thread(){
                public void run() {
                    for(int j=0;j<100;j++)
                        test.increase();
                };
            }.start();
        }
        while(Thread.activeCount()>1)  //保证前面的线程都执行完
            Thread.yield();
        System.out.println("add AtomicInteger, inc output:" + test.inc);
    }
}

三者输出都是 1000，如下：

add synchronized, inc output:1000
add lock, inc output:1000
add AtomicInteger, inc output:1000

volatile 实现单例模式的双重锁

下面是一个使用"双重检查锁定"（double-checked locking）实现的单例模式（Singleton Pattern）的例子。

public class Penguin {
    private static volatile Penguin m_penguin = null;

    // 一个成员变量 money
    private int money = 10000;

    // 避免通过 new 初始化对象，构造方法应为 private
    private Penguin() {}

    public void beating() {
        System.out.println("打豆豆" + money);
    }

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

在这个例子中，Penguin 类只能被实例化一次。来看代码解释：

  • 声明了一个类型为 Penguin 的 volatile 变量 m_penguin，它是类的静态变量，用来存储 Penguin 类的唯一实例。
  • Penguin() 构造方法被声明为 private，这样就阻止了外部代码使用 new 来创建 Penguin 实例，保证了只能通过 getInstance() 方法获取实例。
  • getInstance() 方法是获取 Penguin 类唯一实例的公共静态方法。
  • 第一次 if (null == m_penguin) 检查是否已经存在 Penguin 实例。如果不存在，才进入同步代码块。
  • synchronized(penguin.class) 对类的 Class 对象加锁，确保在多线程环境下，同时只能有一个线程进入同步代码块。在同步代码块中，再次执行 if (null == m_penguin) 检查实例是否已经存在，如果不存在，则创建新的实例。这就是所谓的“双重检查锁定”，一共两次。
  • 最后返回 m_penguin，也就是 Penguin 的唯一实例。

其中，使用 volatile 关键字是为了防止 m_penguin = new Penguin() 这一步被指令重排序。因为实际上，new Penguin() 这一行代码分为三个子步骤：

  • 步骤 1：为 Penguin 对象分配足够的内存空间，伪代码 memory = allocate()。
  • 步骤 2：调用 Penguin 的构造方法，初始化对象的成员变量，伪代码 ctorInstanc(memory)。
  • 步骤 3：将内存地址赋值给 m_penguin 变量，使其指向新创建的对象，伪代码 instance = memory。

如果不使用 volatile 关键字，JVM 可能会对这三个子步骤进行指令重排。

  • 为 Penguin 对象分配内存
  • 将对象赋值给引用 m_penguin
  • 调用构造方法初始化成员变量

这种重排序会导致 m_penguin 引用在对象完全初始化之前就被其他线程访问到。具体来说，如果一个线程执行到步骤 2 并设置了 m_penguin 的引用，但尚未完成对象的初始化，这时另一个线程可能会看到一个“半初始化”的 Penguin 对象。

假如此时有两个线程 A 和 B，要执行 getInstance() 方法：

public static Penguin getInstance() {
    if (m_penguin == null) {
        synchronized (Penguin.class) {
            if (m_penguin == null) {
                m_penguin = new Penguin();
            }
        }
    }
    return m_penguin;
}
  • 线程 A 执行到 if (m_penguin == null)，判断为 true，进入同步块。
  • 线程 B 执行到 if (m_penguin == null)，判断为 true，进入同步块。

如果线程 A 执行 m_penguin = new Penguin() 时发生指令重排序：

  • 线程 A 分配内存并设置引用，但尚未调用构造方法完成初始化。
  • 线程 B 此时判断 m_penguin != null，直接返回这个“半初始化”的对象。

这样就会导致线程 B 拿到一个不完整的 Penguin 对象，可能会出现空指针异常或者其他问题。

于是，我们可以为 m_penguin 变量添加 volatile 关键字，来禁止指令重排序，确保对象的初始化完成后再将其赋值给 m_penguin。

小结

“好了，三妹，我们来总结一下。”我舒了一口气说。

volatile 可以保证线程可见性且提供了一定的有序性，但是无法保证原子性。在 JVM 底层 volatile 是采用“内存屏障”来实现的。

观察加入 volatile 关键字和没有加入 volatile 关键字时所生成的汇编代码就能发现，加入 volatile 关键字时，会多出一个 lock 前缀指令，lock 前缀指令实际上相当于一个内存屏障（也称内存栅栏），内存屏障会提供 3 个功能：

  • 它确保指令重排序时不会把其后面的指令排到内存屏障之前的位置，也不会把前面的指令排到内存屏障的后面；即在执行到内存屏障这句指令时，在它前面的操作已经全部完成；
  • 它会强制将对缓存的修改操作立即写入主存；
  • 如果是写操作，它会导致其他 CPU 中对应的缓存行无效。

最后，我们学习了 volatile 不适用的场景，以及解决的方法，并解释了双重检查锁定实现的单例模式为何需要使用 volatile。

编辑：沉默王二，编辑前的内容主要来自于二哥的技术派团队成员楼仔，原文链接戳：volatile。

GitHub 上标星 10000+ 的开源知识库《二哥的 Java 进阶之路》第二份 PDF 《并发编程小册》终于来了！包括线程的基本概念和使用方法、Java的内存模型、sychronized、volatile、CAS、AQS、ReentrantLock、线程池、并发容器、ThreadLocal、生产者消费者模型等面试和开发必须掌握的内容，共计 15 万余字，200+张手绘图，可以说是通俗易懂、风趣幽默……详情戳：太赞了，二哥的并发编程进阶之路.pdf

加入二哥的编程星球，在星球的第二个置顶帖「知识图谱」里就可以获取 PDF 版本。

二哥的并发编程进阶之路获取方式
二哥的并发编程进阶之路获取方式