這篇文章將為大家詳細(xì)講解有關(guān) Java中Volatile關(guān)鍵字怎么使用，文章內(nèi)容質(zhì)量較高，因此小編分享給大家做個(gè)參考，希望大家閱讀完這篇文章后對(duì)相關(guān)知識(shí)有一定的了解。
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Java volatile關(guān)鍵字保證了跨線程更改線程間共享變量的可見性。這可能聽起來有點(diǎn)抽象，讓我們?cè)敿?xì)說明一下。
在多線程應(yīng)用程序中，線程對(duì) non-volatile 變量進(jìn)行操作，出于性能原因，每個(gè)線程在處理變量時(shí)，可以將它們從主內(nèi)存復(fù)制到CPU緩存中。如果你的計(jì)算機(jī)包含一個(gè)以上的CPU，每個(gè)線程可以在不同的CPU上運(yùn)行。這意味著，每個(gè)線程可以將同一個(gè)變量復(fù)制到不同CPU的CPU緩存中。這就和計(jì)算機(jī)的組成和工作原理息息相關(guān)了，之所以在每一個(gè) CPU 中都含有緩存模塊是因?yàn)槌鲇谛阅芸紤]。因?yàn)?CPU 的執(zhí)行速度要比內(nèi)存（這里的內(nèi)存指的是 Main Memory）快很多，因?yàn)?CPU 要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀、寫的操作，如果每次都和內(nèi)存進(jìn)行交互那么 CPU 在等待 I/O 這個(gè)過程中就消耗了大量時(shí)間，大部分時(shí)間都是在停滯等待而沒有真正投入工作當(dāng)中。所以為了解決這個(gè)問題就引入了CPU緩存。如下圖所示:
這樣就導(dǎo)致了一個(gè)問題同一個(gè)變量會(huì)被不同的 CPU 放在自己的緩存中，對(duì)該變量的讀、寫操作在緩存中進(jìn)行。當(dāng)然對(duì)于非共享數(shù)據(jù)來說這一點(diǎn)問題也沒有，就比如函數(shù)內(nèi)部的變量，但是對(duì)于共享數(shù)據(jù)來說就會(huì)造成多個(gè) CPU 之間對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行了操作但是別的 CPU 不知道這個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)生了改變 ，依然使用舊的數(shù)據(jù)，最終導(dǎo)致程序不符合我們的預(yù)期。因?yàn)?CPU 是不知道你的程序內(nèi)哪些數(shù)據(jù)是多線程共享數(shù)據(jù)，而那些數(shù)據(jù)不是，如果你不告訴 CPU 那么它默認(rèn)都會(huì)認(rèn)為這些數(shù)據(jù)都是不共享的，而各自在自己的緩存中隨意操作。比如這個(gè)代碼：
重慶分公司
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public class VolatileCase0 {
public int counter = 0;
}這個(gè)代碼在多線程執(zhí)行的環(huán)境下是不安全的，counter 是共享變量。假設(shè)兩個(gè) CPU 共同操作同一個(gè) VolatileCase0 對(duì)象，如下圖所示：
目前這個(gè)情況下 counter 在兩個(gè) CPU 緩存中都存在，但是每個(gè) CPU 對(duì) counter 的操作對(duì)其他 CPU 來說是不可見的。因?yàn)榇藭r(shí)我們并沒有告知 CPU 和 CPU 緩存這個(gè) counter 是一個(gè)共享內(nèi)存變量。要解決多個(gè) CPU 緩存之間變量寫操作可見性的問題，就需要用 volatile 關(guān)鍵字來修飾這個(gè) counter 。代碼如下：
public class VolatileCase0 {
public volatile int counter = 0;
}接下來看一個(gè)例子程序：
public class VolatileCase1 {
volatile boolean running = true;
public void run() {
while (running) {
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " end of execution ");
}
public void stop() {
running = false;
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " thread Modified running to false");
}
public static void main(String[] args) throws Exception {
VolatileCase1 vc = new VolatileCase1();
Thread t1 = new Thread(vc::run , "Running-Thread");
Thread t2 = new Thread(vc::stop , "Stop-Thread");
t1.start();
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
t2.start();
}
}如果對(duì) running 變量不加 volatile 關(guān)鍵字，程序就會(huì)陷在 “Running-Thread”中一直執(zhí)行而無法結(jié)束。加上了 volatile 關(guān)鍵字之后 “Running-Thread”會(huì)讀取到被修改后的 running 值，這時(shí)就可以執(zhí)行結(jié)束了。
首先需要解釋一下什么是“指令重排序”。所謂指令重排序也就是 CPU 對(duì)程序指令進(jìn)行執(zhí)行的時(shí)候，會(huì)按照自己制定的順序，并不是完全嚴(yán)格按照程序代碼編寫的順序執(zhí)行。這樣做的原因也是出于性能因素考慮，CPU對(duì)一些可以執(zhí)行的指令先執(zhí)行可以提供總體的運(yùn)行效率，而不是讓CPU把時(shí)間都浪費(fèi)在停滯等待上面。感興趣的讀者可以參考這篇文章：
感興趣的讀者也可以閱讀 64-ia-32-architectures-software-developer-vol-3a-part-1-manual 這個(gè)開發(fā)手冊(cè)。以下是該手冊(cè)中對(duì)于指令重排序的一些描述：
譯文：術(shù)語Memory Ordering 是指處理器通過系統(tǒng)總線向系統(tǒng)內(nèi)存發(fā)出讀(裝入)和寫(存儲(chǔ))的順序。Intel 64和IA-32體系結(jié)構(gòu)支持多種內(nèi)存排序模型，具體取決于體系結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)。例如，Intel386處理器強(qiáng)制執(zhí)行程序排序(通常稱為強(qiáng)排序)，在任何情況下，讀寫都是按指令流中發(fā)生的順序在系統(tǒng)總線上發(fā)出的。
為了優(yōu)化指令執(zhí)行的性能，IA-32體系結(jié)構(gòu)允許在Pentium 4、Intel Xeon和P6系列處理器中偏離稱為處理器排序的強(qiáng)排序模型。這些處理器排序變體(在這里稱為內(nèi)存排序模型)允許性能增強(qiáng)操作，比如允許讀優(yōu)先于緩沖寫。這些變化的目的是提高指令執(zhí)行速度，同時(shí)保持內(nèi)存一致性，即使在多處理器系統(tǒng)中也是如此。我們通過一個(gè)代碼來證實(shí)CPU對(duì)指令的重排序：
public class MemoryOrderingCase1 {
static int x = 0 , y = 0 , a = 0 , b = 0;
public static void main(String[] args) throws Exception {
while (true) {
CountDownLatch latch = new CountDownLatch(2);
x = 0;
y = 0;
a = 0;
b = 0;
Thread t1 = new Thread(() -> {
a = 1;
x = b;
latch.countDown();
});
Thread t2 = new Thread(() -> {
b = 1;
y = a;
latch.countDown();
});
t1.start();
t2.start();
latch.await();
if (x == 0 && y == 0) {
System.out.println("x = " + x + " , y = " + y + " , a = " + a + " , b = " + b);
break;
}
}
}
}當(dāng) x = 0 同時(shí) y = 0 的時(shí)候說明CPU在寫指令完成之前執(zhí)行了讀指令。
另一個(gè)例子 Java Double checking locking 單例模式，代碼如下：
public class MemoryOrderingCase2 {
private static volatile MemoryOrderingCase2 INSTANCE;
int a;
int b;
private MemoryOrderingCase2() {
a = 1;
b = 2;
}
public static MemoryOrderingCase2 getInstance() {
if (MemoryOrderingCase2.INSTANCE == null) {
synchronized (MemoryOrderingCase2.class) {
if (MemoryOrderingCase2.INSTANCE == null) {
MemoryOrderingCase2.INSTANCE = new MemoryOrderingCase2();
}
}
}
return MemoryOrderingCase2.INSTANCE;
}
}在這個(gè)例子中如果 INSTANCE 取除掉 volidate 關(guān)鍵字就會(huì)導(dǎo)致問題的發(fā)生。假設(shè)有兩個(gè)線程在訪問 getInstance() 函數(shù)，執(zhí)行序列如下：
1. 線程 1 進(jìn)入 getInstance 函數(shù) ， INSTANCE 為 null ，并切當(dāng)前沒有線程持有鎖定。
2. 線程 1 再次判斷 INSTANCE 是否為 null ，結(jié)果為 true 。
3. 線程 1 執(zhí)行 INSTANCE = new MemoryOrderingCase2() 。
4. 線程 1 執(zhí)行 new MemoryOrderingCase2() 。
5. 線程 1 在堆內(nèi)存中為對(duì)象分配了空間。
6. 線程 1 INSTANCE 指向了該對(duì)象，此時(shí) INSTANCE 已經(jīng)不為 null。
7. 線程 1 new MemoryOrderingCase2() 對(duì)象開始執(zhí)行初始化過程，調(diào)用父類構(gòu)造函數(shù)，給一些屬性賦值等。
8. 線程 2 進(jìn)入 getInstance 函數(shù) ，判斷 INSTANCE 不為 null ，將 INSTANCE 返回。
這里的問題在于 MemoryOrderingCase2 對(duì)象還沒有完成全部的初始化過程，就被線程2暴漏給了外界。也就是說讀操作在寫操作還沒有完成之前就發(fā)生了。
查看 getInstance() 函數(shù)的部分匯編代碼：
0x0000000003a663f4: movabs $0x7c0060828,%rdx ; {metadata('org/blackhat/concurrent/date20200312/MemoryOrderingCase2')}
0x0000000003a663fe: mov 0x60(%r15),%rax
0x0000000003a66402: lea 0x18(%rax),%rdi
0x0000000003a66406: cmp 0x70(%r15),%rdi
0x0000000003a6640a: ja 0x0000000003a66557
0x0000000003a66410: mov %rdi,0x60(%r15)
0x0000000003a66414: mov 0xa8(%rdx),%rcx
0x0000000003a6641b: mov %rcx,(%rax)
0x0000000003a6641e: mov %rdx,%rcx
0x0000000003a66421: shr $0x3,%rcx
0x0000000003a66425: mov %ecx,0x8(%rax)
0x0000000003a66428: xor %rcx,%rcx
0x0000000003a6642b: mov %ecx,0xc(%rax)
0x0000000003a6642e: xor %rcx,%rcx
0x0000000003a66431: mov %rcx,0x10(%rax) ;*new ; - org.blackhat.concurrent.date20200312.MemoryOrderingCase2::getInstance@17 (line 24)
0x0000000003a66435: movl $0x1,0xc(%rax) ;*putfield a
; - org.blackhat.concurrent.date20200312.MemoryOrderingCase2::@6 (line 16)
; - org.blackhat.concurrent.date20200312.MemoryOrderingCase2::getInstance@21 (line 24)
0x0000000003a6643c: movl $0x2,0x10(%rax) ;*putfield b
; - org.blackhat.concurrent.date20200312.MemoryOrderingCase2::@11 (line 17)
; - org.blackhat.concurrent.date20200312.MemoryOrderingCase2::getInstance@21 (line 24)
0x0000000003a66443: movabs $0x76b907160,%rsi ; {oop(a 'java/lang/Class' = 'org/blackhat/concurrent/date20200312/MemoryOrderingCase2')}
0x0000000003a6644d: mov %rax,%r10
0x0000000003a66450: shr $0x3,%r10
0x0000000003a66454: mov %r10d,0x68(%rsi)
0x0000000003a66458: shr $0x9,%rsi
0x0000000003a6645c: movabs $0xf6fd000,%rax
0x0000000003a66466: movb $0x0,(%rsi,%rax,1)
0x0000000003a6646a: lock addl $0x0,(%rsp) ;*putstatic INSTANCE
; - org.blackhat.concurrent.date20200312.MemoryOrderingCase2::getInstance@24 (line 24) 關(guān)于 Java中Volatile關(guān)鍵字怎么使用就分享到這里了，希望以上內(nèi)容可以對(duì)大家有一定的幫助，可以學(xué)到更多知識(shí)。如果覺得文章不錯(cuò)，可以把它分享出去讓更多的人看到。
