java 轻量级同步volatile关键字简介与可见性有序性与synchronized区别 多线程中篇（十二）

 概念

JMM规范解决了线程安全的问题，主要三个方面：原子性、可见性、有序性，借助于synchronized关键字体现，可以有效地保障线程安全（前提是你正确运用）

之前说过，这三个特性并不一定需要全部同时达到，在有些场景，部分达成也能够做到线程安全。

volatile就是这样一个存在，对可见性和有序性进行保障

可见性

volatile字面意思，易变的，不稳定的，在Java中含义也是如此

想要保证可见性，就要保障一个线程对于数据的操作，能够及时的对其他线程可见

volatile会通知底层，指示这个变量读取时，不要通过本地缓存，而是直接去主存中读取（或者说本地内存失效，必须去主存读取），这样如果一个线程对于数据完成写入到主存，另外线程进行读取时，就可以第一时间读取到新值，而非旧值，所以所谓不稳定，就是指可能会被其他线程同时并发修改，所以你要去主存中去重新读取。

他会让写线程冲刷写缓存，读线程刷新读缓存，简言之就是操作后立刻会刷新数据，读取前也会刷新数据；

以保证最新值可以及时更新到主存以及读线程及时的读取到最新值。

注意：

如果Reader对于这个共享变量x的读取操作有很多个步骤，比如x=1；y=x；y=y+1；y=y+2;等等 最后x=y；，如果没有原子性保障，很显然，如果已经执行过了y=x；再往后的操作过程中，如果x的值再次被改变了，此时Reader中的y是无法改变的，这就出现问题了

所以此处的可见性要注意区分，在某些场景想要线程安全的话，可见性对原子性是有依赖的

可见性指的是在你需要的时刻，如果被别人修改了，重新读取新的，但是如果你用过了，单纯的可见性并不能保证后续没问题。

有序性

volatile关键字将会直接禁止JVM和处理器对关键字修饰的指令重排序，但是对于volatile关键字修饰的前后的、无依赖的指令，可以进行重排序

被volatile修饰的变量，可以认为插入了一个内存屏障，他会进行如下保障：

• 确保指令重排序时不会将其后面的代码排到内存屏障之前
• 确保指令重排序时不会将其前面的代码排到内存屏障之后
• 确保在执行到内存屏障修饰的指令时前面的代码全部执行完成
• 强制将线程工作内存中值的修改刷新至主内存中
• 如果是写操作，则会导致其他线程工作内存(CPU Cache)中的缓存数据失效

比如

int x = 0;
int y = 1;
volatile int z=20；
x++;
y--；

在语句volatile int z=20之前，先执行x的定义还是先执行y的定义，我们并不关心，只要能够百分之百地保证在执行到z=20的时候x=0, y=1，同理关于x的自增以及y的自减操作都必须在z=20以后才能发生。这个结果就是上面的逻辑处理后的结果。

 

综上所述，volatile可以对可见性以及有序性进行保障。

那么volatile的原子性如何？

原子性

如下面示例，共享变量count是volatile的，在add方法中，对他进行自增，运行几次后分别查看结果

package test1;
public class T12 {
public static volatile int count = 0;
public static void add() {
count++;
}
public static void main(String[] args) {
//创建10个线程，每个线程循环1000次，最终结果应该是10，000
for (int i = 0; i < 10; i++) {
new Thread(() -> {
for (int j = 0; j < 1000; j++) {
add();
}
}).start();
}
// 确认其他线程都结束了，否则不继续执行（确认当前线程组以及子线程组活动线程的个数，JDK8中这个值设置为2），后续有更好的方法完成等待
while (Thread.activeCount() > 2) {
Thread.yield();
}
System.out.println("count: " + count);
}
}

 

10个线程，每个线程1000次循环，按理来说最终的结果应该是1000

从结果可以看得出来，并不是线程安全的，但是既然volatile保障了可见性与有序性，可以推断出来并没有做到原子性

问题出在哪里？

关键在于count++;自增操作，并不是直接的赋值操作，比如x=1；

他可以简单的理解为三个步骤：

1. 读取count的值；
2. 操作count的值；
3. 回写count的值；

volatile可以保障在第一步的时候，读取到了正确的值，但是由于不是原子的，在接下来的操作过程中，count的值，可能已经被更新过了，也就是读取到了旧值

继续使用这个旧值很显然就把别人的更新抹掉了，你读取的1，可能此时应该是2了，但是你操作后还是2，无故的擦除了别人的增加，所以结果才会出现小于10000的情况

因为是自增操作，所以使用旧值会导致小于10000

如果把初始值设置为10000，使用自减count--，使用旧值就可能会导致别人的减量被擦除了，最终大于0，不妨修改为自减运算试一下

从结果看得出来，我们的推断没错，就是使用了旧值

这就是前面说到的线程安全，单纯的依赖可见性是不能保障的，还需要依赖原子性

因为在第一步的时候，尽管获取到的值肯定是最新的，但是接下来的过程中呢？

值仍旧可能被改变，因为并不是原子的

比如，装着饮料的瓶子，你从其中取饮料

可见性可以保障你要倒饮料的时候，瓶子里面是可乐你到出来的是可乐，装的是雪碧，倒出来就是雪碧，但是如果你把可乐倒进自己的杯子里面了，瓶子瞬间换成雪碧，你杯子里面的可乐会变化吗？

 

回想下之前设计模式中介绍过的单例模式，有一种实现方式是双重检查法

public class LazySingleton {
private LazySingleton() {
}

private static volatile LazySingleton singleton = null;
public static LazySingleton getInstance() {
if (singleton == null) {
synchronized (LazySingleton.class) {
if (singleton == null) {
singleton = new LazySingleton();
}
}
}
return singleton;
}
}

注意：

    private static volatile  LazySingleton singleton = null;

 

使用volatile修饰

因为实例创建语句：singleton = new LazySingleton(); ，就不是一个原子操作 

他可能需要下面三个步骤

• 分配对象需要的内存空间
• 将singleton指向分配的内存空间
• 调用构造函数来初始化对象

计算机为了提高执行效率，会做的一些优化，在不影响最终结果的情况下，可能会对一些语句的执行顺序进行调整

也就是上面三个步骤的顺序是不能够保证唯一的

如果先分配对象需要的内存，然后将singleton指向分配的内存空间，最后调用构造方法初始化的话

 

假如当singleton指向分配的内存空间后，此时被另外线程抢占（由于不是原子操作所以可能被中间抢占）

线程2此时执行到第一个if (singleton == null)

此时不为空，那么不需要等待线程1结束，直接返回singleton了

显然，此时的singleton都还没有完全初始化，就被拿出去使用了

根本问题就在于写操作未结束，就进行了读操作

重排序导致了线程的安全问题

此时可以给 singleton 的声明加上volatile关键字，以保障有序性

 

上面的两个示例，看起来都是没有保障原子性，但是为什么一个使用volatile修饰就可以，而另外一个则不行？

对于count++，运算结果的正确性依赖count当前的值本身，而且可能存在多个线程对他进行修改，而singleton则不依赖，而且也不会多个线程进行修改

所以说，volatile的使用要看具体的场景，这也是为什么被称之为轻量级的synchronized的原因，他不能从原子性、可见性、有序性三个角度进行保障。

所以从上面这些点也可以看得出来，volatile并不能替代synchronized，很关键的一个点就是他并不能保障原子性

volatile与synchronized对比

总结

volatile是一种轻量级的同步方式（轻量级的synchronized，也就是阉割版的synchronized）

抛开性能的角度看，synchronized的正确使用可以百分百解决同步问题，但是volatile却并不能完全解决同步问题，因为他缺乏一个很重要的保障---原子性

原子性能够保障不可分割，一旦不能对原子性进行保障，一旦一个变量的修改依赖自身，比如i++，也就是i=i+1；依赖自身的值，一旦再多线程环境中，仍旧可能会出错

所以如果换一个思路理解的话，可以这样：

对于线程安全问题，主要是三个方面，原子性、可见性、有序性，不过并不一定所有的场景都需要三者完全保障；

对于synchronized关键字都进行了保障，可以用于线程安全的同步问题

对于volatile，他对可见性和有序性进行了保障，所以如果在有些场景下，如果仅仅保障了这两者就可以达到线程安全，那么volatile也可以用于线程的同步

所以说synchronized可以用于同步，volatile可以用于部分场景的线程同步

刚才提到对于i++，仅仅借助于volatile，他相当于i=i+1，依赖自身的值的内容，所以多线程会出问题，如果只有一个线程才会执行这个操作就不会出现问题

另外，如果对于一个操作，比如i=j+1；j也是一个共享变量，很显然多线程场景下，仍旧可能出现问题

所以如果你使用volatile保障线程安全，需要非常慎重，必要的时候，仍旧需要借助于synchronized关键字进行同步，进一步对原子性进行保障。

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