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Java volatile关键字解析

沉默王二Java核心Java并发编程约 3060 字大约 10 分钟

第八节:volatile 关键字

“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open in new window》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open in new window,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,JMMopen in new window 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 JMMopen in new window 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open in new window,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open in new window)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open in new window),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 synchronizedopen in new window(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 Lockopen in new window,通过重入锁 ReentrantLockopen in new windowinc++ 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 AtomicIntegeropen in new window(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 public 或 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open in new window团队成员楼仔,原文链接戳:volatileopen in new window


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