Volite关键字

并发3特性

1. 原子性

   原子性：即一个操作或者多个操作 要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断，要么就都不执行。

   Java中，基本数据类型的访问、读写都是具备原子性的，例外就是long和double的非原子性协定，但是一般无需在意这个。另外如果要实现更大范围操作的原子性，可以通过synchronized和Lock来实现。

2. 可见性

   可见性是指：当一个线程修改了共享变量的值时，其他线程能够立即得知这个修改。

   举个简单的例子：

   //线程1执行的代码
   int i = 0;
   i = 10;
   //线程2执行的代码
   j = i;

   假若执行线程1的是CPU1，执行线程2的是CPU2。由上面的分析可知，当线程1执行 i =10这句时，会先把i的初始值加载到CPU1的高速缓存中，然后赋值为10，那么在CPU1的高速缓存当中i的值变为10了，却没有立即写入到主存当中。

   此时线程2执行 j = i，它会先去主存读取i的值并加载到CPU2的缓存当中，注意此时内存当中i的值还是0，那么就会使得j的值为0，而不是10.

   这就是可见性问题，线程1对变量i修改了之后，线程2没有立即看到线程1修改的值。

   在Java中，可以通过Synchronized、lock和Volatile等关键字保证可见性。

3. 有序性

   有序性：即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。举个简单的例子，看下面这段代码：

   int i = 0;              
   boolean flag = false;
   i = 1;                //语句1  
   flag = true;          //语句2

   上面代码定义了一个int型变量，定义了一个boolean类型变量，然后分别对两个变量进行赋值操作。从代码顺序上看，语句1是在语句2前面的，那么JVM在真正执行这段代码的时候会保证语句1一定会在语句2前面执行吗？不一定，为什么呢？这里可能会发生指令重排序（Instruction Reorder）。

   下面解释一下什么是指令重排序，一般来说，处理器为了提高程序运行效率，可能会对输入代码进行优化，它不保证程序中各个语句的执行先后顺序同代码中的顺序一致，但是它会保证程序最终执行结果和代码顺序执行的结果是一致的。

   但是要注意，虽然处理器会对指令进行重排序，但是它会保证程序最终结果会和代码顺序执行结果相同，那么它靠什么保证的呢？ 处理器在进行重排序时是会考虑指令之间的数据依赖性，如果一个指令Instruction 2必须用到Instruction 1的结果，那么处理器会保证Instruction 1会在Instruction 2之前执行。

   虽然指令重排序不会影响单个线程内程序的结果，但是多线程情况下可能出现问题。下面看个例子：

   //线程1:
   context = loadContext();   //语句1
   inited = true;             //语句2
   //线程2:
   while(!inited ){
     sleep()
   }
   doSomethingwithconfig(context);

   上面代码中，由于语句1和语句2没有数据依赖性，因此可能会被重排序。假如发生了重排序，在线程1执行过程中先执行语句2，而此是线程2会以为初始化工作已经完成，那么就会跳出while循环，去执行doSomethingwithconfig(context)方法，而此时context并没有被初始化，就会导致程序出错。

   从上面可以看出，指令重排序不会影响单个线程的执行，但是会影响到线程并发执行的正确性。

   在Java内存模型中，允许编译器和处理器对指令进行重排序，但是重排序过程不会影响到单线程程序的执行，却会影响到多线程并发执行的正确性。

   在Java里面，可以通过volatile关键字来保证一定的“有序性”（具体原理在下一节讲述）。另外可以通过synchronized和Lock来保证有序性，很显然，synchronized和Lock保证每个时刻是有一个线程执行同步代码，相当于是让线程顺序执行同步代码，自然就保证了有序性。

   另外，Java内存模型具备一些先天的“有序性”，即不需要通过任何手段就能够得到保证的有序性，这个通常也称为 happens-before 原则。如果两个操作的执行次序无法从happens-before原则推导出来，那么它们就不能保证它们的有序性，虚拟机可以随意地对它们进行重排序。

   下面就来具体介绍下happens-before原则（先行发生原则）：

   • 程序次序规则：一个线程内，按照代码顺序，书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作

     对于程序次序规则来说，看起来好像就可以保证程序的有序性，为什么还要Volatile等关键字呢？这里需要注意的一点是，有序性通常是指CPU执行的指令的有序，一般一行程序编译后会得到若干条不同指令（比如i++编译后会有3条指令）。因此这条原则可以保证程序是按照代码顺序执行的，但是虚拟机可能会对程序代码进行指令重排序。这个规则是用来保证程序在单线程中执行结果的正确性，但无法保证程序在多线程中执行的正确性。

   • 锁定规则：一个unLock操作先行发生于后面对同一个锁的lock操作

     也就是说无论在单线程中还是多线程中，同一个锁如果出于被锁定的状态，那么必须先对锁进行了释放操作，后面才能继续进行lock操作。

   • volatile变量规则：对一个变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作

     直观地解释就是，如果一个线程先去写一个变量，然后一个线程去进行读取，那么写入操作肯定会先行发生于读操作。

   • 传递规则：如果操作A先行发生于操作B，而操作B又先行发生于操作C，则可以得出操作A先行发生于操作C

   • 线程启动规则：Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每个一个动作

   • 线程中断规则：对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生

   • 线程终结规则：线程中所有的操作都先行发生于线程的终止检测，我们可以通过Thread.join()方法结束、Thread.isAlive()的返回值手段检测到线程已经终止执行

   • 对象终结规则：一个对象的初始化完成先行发生于他的finalize()方法的开始

Volatile作用

Volatile的作用主要有两个：保证可见性和防止重排序。

1. 可见性

   先看一个多线程下优于可见性问题导致程序可能出错的例子：

   //线程1
   boolean stop = false;
   while(!stop){
       doSomething();
   }
   //线程2
   stop = true;

   这段代码是很典型的一段代码，很多人在中断线程时可能都会采用这种标记办法。但是事实上，这段代码会完全运行正确么？即一定会将线程中断么？不一定，也许在大多数时候，这个代码能够把线程中断，但是也有可能会导致无法中断线程（虽然这个可能性很小，但是只要一旦发生这种情况就会造成死循环了）。

   下面解释一下这段代码为何有可能导致无法中断线程。在前面已经解释过，每个线程在运行过程中都有自己的工作内存，那么线程1在运行的时候，会将stop变量的值拷贝一份放在自己的工作内存当中。

   那么当线程2更改了stop变量的值之后，但是还没来得及写入主存当中，线程2转去做其他事情了，那么线程1由于不知道线程2对stop变量的更改，因此还会一直循环下去。

   但是用volatile修饰之后就变得不一样了：

   第一：使用volatile关键字会强制将修改的值立即写入主存；

   第二：使用volatile关键字的话，当线程2进行修改时，会导致线程1的工作内存中缓存变量stop的缓存行无效（反映到硬件层的话，就是CPU的L1或者L2缓存中对应的缓存行无效）；

   第三：由于线程1的工作内存中缓存变量stop的缓存行无效，所以线程1再次读取变量stop的值时会去主存读取。

   那么在线程2修改stop值时（当然这里包括2个操作，修改线程2工作内存中的值，然后将修改后的值写入内存），会使得线程1的工作内存中缓存变量stop的缓存行无效，然后线程1读取时，发现自己的缓存行无效，它会等待缓存行对应的主存地址被更新之后，然后去对应的主存读取最新的值。那么线程1读取到的就是最新的正确的值。

2. 防止指令重排序

   我们从一个最经典的例子来分析重排序问题。大家应该都很熟悉单例模式的实现，而在并发环境下的单例实现方式，我们通常可以采用双重检查加锁(DCL，volatile+synchronized)的方式来实现。其源码如下：

   public class Singleton {
       public static volatile Singleton singleton;
       /**
        * 构造函数私有，禁止外部实例化
        */
       private Singleton() {};
       public static Singleton getInstance() {
           if (singleton == null) {
               synchronized (singleton.class) {
                   if (singleton == null) {
                       singleton = new Singleton();
                   }
               }
           }
           return singleton;
       }
   }

   现在我们分析一下为什么要在变量singleton之间加上volatile关键字。要理解这个问题，先要了解对象的构造过程，实例化一个对象其实可以分为三个步骤：

   • 分配内存空间。
   • 初始化对象。
   • 将内存空间的地址赋值给对应的引用。

   但是由于操作系统可以对指令进行重排序，所以上面的过程也可能会变成如下过程：

   • 分配内存空间。
   • 将内存空间的地址赋值给对应的引用。
   • 初始化对象

   如果是这个流程，多线程环境下就可能将一个未初始化的对象引用暴露出来，从而导致不可预料的结果。因此，为了防止这个过程的重排序，我们需要将变量设置为volatile类型的变量。

3. 原子性

   对于原子性，需要强调一点，也是大家容易误解的一点：对volatile变量的单次读/写操作可以保证原子性的，如long和double类型变量，但是并不能保证i++这种操作的原子性，因为本质上i++是读、写两次操作。

   在java 1.5的java.util.concurrent.atomic包下提供了一些原子操作类，即对基本数据类型的 自增（加1操作），自减（减1操作）、以及加法操作（加一个数），减法操作（减一个数）进行了封装，保证这些操作是原子性操作。atomic是利用CAS来实现原子性操作的（Compare And Swap），CAS实际上是利用处理器提供的CMPXCHG指令实现的，而处理器执行CMPXCHG指令是一个原子性操作。

Volatile原理

前面讲述了源于volatile关键字的一些使用，下面我们来探讨一下volatile到底如何保证可见性和禁止指令重排序的。

下面这段话摘自《深入理解Java虚拟机》：

“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（也成内存栅栏），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。

应用场景

synchronized关键字是防止多个线程同时执行一段代码，那么就会很影响程序执行效率，而volatile关键字在某些情况下性能要优于synchronized，但是要注意volatile关键字是无法替代synchronized关键字的，因为volatile关键字无法保证操作的原子性。通常来说，使用volatile必须具备以下2个条件：

• 对变量的写操作不依赖于当前值

• 该变量没有包含在具有其他变量的不变式中

实际上，这些条件表明，可以被写入 volatile 变量的这些有效值独立于任何程序的状态，包括变量的当前状态。常见应用场景如下：

1. 状态标志

   也许实现 volatile 变量的规范使用仅仅是使用一个布尔状态标志，用于指示发生了一个重要的一次性事件，例如完成初始化或请求停机。

   volatile boolean shutdownRequested;
   ......
   public void shutdown() { shutdownRequested = true; }
   public void doWork() { 
       while (!shutdownRequested) { 
           // do stuff
       }
   }

2. DCL（双重检查锁）

   前文提到过，在经典单例模式中，需要Volatile和Synchronized关键字配合使用，保证多线程安全，即双重检查锁（DCL）。

3. 一次性安全发布

   缺乏同步会导致无法实现可见性，这使得确定何时写入对象引用而不是原始值变得更加困难。在缺乏同步的情况下，可能会遇到某个对象引用的更新值(由另一个线程写入)和该对象状态的旧值同时存在。(这就是造成著名的双重检查锁定(double-checked-locking)问题的根源，其中对象引用在没有同步的情况下进行读操作，产生的问题是您可能会看到一个更新的引用，但是仍然会通过该引用看到不完全构造的对象)。

4. 独立观察

   安全使用 volatile 的另一种简单模式是定期 发布 观察结果供程序内部使用。例如，假设有一种环境传感器能够感觉环境温度。一个后台线程可能会每隔几秒读取一次该传感器，并更新包含当前文档的 volatile 变量。然后，其他线程可以读取这个变量，从而随时能够看到最新的温度值。

5. volatile bean 模式

   在 volatile bean 模式中，JavaBean 的所有数据成员都是 volatile 类型的，并且 getter 和 setter 方法必须非常普通 —— 除了获取或设置相应的属性外，不能包含任何逻辑。此外，对于对象引用的数据成员，引用的对象必须是有效不可变的。(这将禁止具有数组值的属性，因为当数组引用被声明为 volatile 时，只有引用而不是数组本身具有 volatile 语义)。对于任何 volatile 变量，不变式或约束都不能包含 JavaBean 属性。

6. 开销较低的读-写锁策略

   volatile 的功能还不足以实现计数器。因为 ++x 实际上是三种操作(读、添加、存储)的简单组合，如果多个线程凑巧试图同时对 volatile 计数器执行增量操作，那么它的更新值有可能会丢失。 如果读操作远远超过写操作，可以结合使用内部锁和 volatile 变量来减少公共代码路径的开销。 安全的计数器使用 synchronized 确保增量操作是原子的，并使用 volatile 保证当前结果的可见性。如果更新不频繁的话，该方法可实现更好的性能，因为读路径的开销仅仅涉及 volatile 读操作，这通常要优于一个无竞争的锁获取的开销。

   @ThreadSafe
   public class CheesyCounter {
       // Employs the cheap read-write lock trick
       // All mutative operations MUST be done with the 'this' lock held
       @GuardedBy("this") private volatile int value;
    
       public int getValue() { return value; }
    
       public synchronized int increment() {
           return value++;
       }
   }

参考资料

1. https://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3920373.html
2. https://pdai.tech/md/java/thread/java-thread-x-key-volatile.html

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