您当前的位置:首页 > 电脑百科 > 程序开发 > 语言 > JAVA

说说你对volatile关键字的理解?

时间:2023-09-21 13:45:20  来源:微信公众号  作者:Java极客技术

一、简介

在上篇文章中,我们介绍到在多线程环境下,如果编程不当,可能会出现程序运行结果混乱的问题。

出现这个原因主要是,JMM 中主内存和线程工作内存的数据不一致,以及多个线程执行时无序,共同导致的结果。

同时也提到引入synchronized同步锁,可以保证线程同步,让多个线程依次排队执行被synchronized修饰的方法或者方法块,使程序的运行结果与预期一致。

不可否认,采用synchronized同步锁确实可以保证线程安全,但是它对服务性能的消耗也很大,synchronized是一个独占式的同步锁,比如当多个线程尝试获取锁时,其中一个线程获取到锁之后,未获取到锁的线程会不断的尝试获取锁,而不会发生中断,当冲突严重的时候,线程会直接进入阻塞状态,不能再干别的活。

为了实现线程之间更加方便的访问共享变量,JAVA 编程语言还提供了另一种同步机制:volatile域变量,在某些场景下使用它会更加方便。

一般来说,被volatile修饰的变量,可以保证所有线程看到这个变量都是同一个值,同时它不会引起线程上下文的切换和调度,相比synchronizedvolatile更加的轻量化。

比较官方的解释,volatile修饰变量有以下几个作用:

  • 1.保证变量的可见性,不保证原子性 当用volatile修饰一个变量时,JMM 会把当前线程本地内存中的变量强制刷新到主内存中去,这个写操作也会导致其他线程中被volatile修饰的变量缓存无效,然后从主内存中获取最新的值

  • 2.禁止指令重排 正常情况下,编译器和处理器为了优化程序执行性能会对指令序列进行重排序,当然是在不影响程序结果的前提下。volatile能够在一定程度上禁止 JVM 进行指令重排。

从概念上感觉比较难理解,下面我们结合几个例子,一起来看看它的具体应用。

二、volatile 使用详解

我们先看一个例子。

public class DataEntity {

    private boolean isRunning = true;

    public void addCount(){
        System.out.println("线程运行开始....");
        while (isRunning){ }
        System.out.println("线程运行结束....");
    }

    public boolean isRunning() {
        return isRunning;
    }

    public void setRunning(boolean running) {
        isRunning = running;
    }
}
public class MyThread extends Thread {

    private DataEntity entity;

    public MyThread(DataEntity entity) {
        this.entity = entity;
    }

    @Override
    public void run() {
        entity.addCount();
    }
}
public class MyThreadTest {

    public static void mAIn(String[] args) throws InterruptedException {
        // 初始化数据实体
        DataEntity entity = new DataEntity();

        MyThread threadA = new MyThread(entity);
        threadA.start();

        // 主线程阻塞1秒
        Thread.sleep(1000);

        // 将运行状态设置为false
        entity.setRunning(false);
    }
}

运行结果如下:

从实际运行结果来看,程序进入死循环状态,虽然最后一行手动设置了entity.setRunning(false),但是没有起到任何的作用。

原因其实也很简单,虽然主线程mainisRunning变量设置为false,但是线程threadA 里面的isRunning变量还是true,两个线程看到的数据不一致。

假如在isRunning变量上,加一个volatile关键字,我们再来看看运行效果。

/**
 * 在 isRunning 变量上加一个 volatile 关键字
 */
private volatile boolean isRunning = true;

运行结果如下:

程序运行后自动结束。

说明当主线程mainisRunning变量设置为false时,线程threadA 里面的isRunning值也随着发生变化。

说明被volatile修饰的变量,在多线程环境下,可以保证所有线程看到这个变量都是同一个值。

三、volatile 不适用的场景

对于某些场景下,volatile可能并不适用,我们还是先看一个例子。

public class DataEntity {

    private volatile int count = 0;

    public void addCount(){
        for (int i = 0; i < 100000; i++) {
            count++;
        }
    }

    public int getCount() {
        return count;
    }
}
public class MyThreadTest {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 初始化数据实体
        DataEntity entity = new DataEntity();

        // 初始化5个线程计数器
        CountDownLatch latch = new CountDownLatch(5);

        // 采用多线程进行操作
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    entity.addCount();
                    //线程运行完毕减1
                    latch.countDown();
                }
            }).start();
        }

        // 等待以上线程执行完毕,再获取结果
        latch.await();
        System.out.println("result: " + entity.getCount());
    }
}

运行结果如下:

第一次运行:result: 340464
第二次运行:result: 318342
第三次运行:result: 305957

理论上使用 5 个线程分别执行了100000自增,我们预期的结果应该是5*100000=500000,从实际的运行结果可以看出,与预期不一致。

这是因为volatile的作用其实是有限的,它只能保证多个线程之间看到的共享变量值是最新的,但是无法保证多个线程操作共享变量时依次有序,无法保证原子性操作

上面的例子中count++不是一个原子性操作,在处理器看来,其实一共做了三个步骤的操作:读取数据对数据加 1回写数据,在多线程随机执行情况下,输出结果不能达到预期值。

如果想要实现与预期一致的结果,有以下三种方案可选。

方案一:采用synchronized同步锁

public class DataEntityC2 {

    private int count = 0;

    /**
     * 采用 synchronized 同步锁,可以实现多个线程执行方法时串行
     */
    public synchronized void addCount(){
        for (int i = 0; i < 100000; i++) {
            count++;
        }
    }

    public int getCount() {
        return count;
    }
}

方案二:采用Lock

public class DataEntityC2 {

    private int count = 0;

    private Lock lock = new ReentrantLock();

    /**
     * 采用 Lock 锁,可以实现多个线程执行方法时串行
     */
    public void addCount(){
        for (int i = 0; i < 100000; i++) {
            lock.lock();
            try {
                count++;
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    }

    public int getCount() {
        return count;
    }
}

方案三:采用JUC包中的原子操作类

public class DataEntity {

    private AtomicInteger inc = new AtomicInteger();

    /**
     * 采用原子操作类,原子操作类是通过CAS循环的方式来保证操作原子性
     */
    public void addCount(){
        for (int i = 0; i < 100000; i++) {
            inc.getAndIncrement();
        }
    }

    public int getCount() {
        return inc.get();
    }
}

以上三种方案,都可以实现程序的运行结果与预期一致!

四、volatile 的原理

通过以上的例子介绍,相信大家对volatile关键字的作用有了一些认识。

volatile修饰的变量,可以保证变量在内存中的可见性,但是无法保证原子性操作。

关于原子性、可见性和有序性的定义,这三个特性主要从多线程编程安全角度总结出来的一些基本要素,也是并发编程的三大核心基础,在上篇文章中有所提到过,这里不再重复讲了。

在 JVM 底层,volatile是通过采用“内存屏障”来实现内存可见性和禁止指令重排。观察不加入volatile和加入volatile关键字所生成的汇编代码发现,加入volatile关键字的代码会多出一个lock前缀指令,lock前缀指令实际上相当于一个内存屏障,可以提供以下 3 个功能。

  • 1.它确保指令重排序时,不会把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,禁止处理器对影响程序执行结果的指令进行重排
  • 2.它会强制将缓存的修改操作立刻写入主存,保证内存变量可见
  • 3.如果是写操作,它会导致其它 CPU 中对应的行缓存无效,目的是让其他线程中被volatile修饰的变量缓存无效,然后从主内存中获取最新的值

五、单例模式中的双重检锁为什么要加 volatile?

在上篇文章中,我们提到过单例设计模式中的双重校验锁实现。

public class Singleton {  

    private volatile static Singleton singleton;  
    
    private Singleton (){}  
    
    public static Singleton getSingleton() {  
        if (singleton == null) {  //第一行
            synchronized (Singleton.class) {  //第二行
                if (singleton == null) {  //第三行
                    singleton = new Singleton();  //第四行
                }  
            }  
        }  
        return singleton;  //第五行
    }  
}

synchronized可以保证原子性、可见性和有序性,为什么变量singleton还需要加volatile关键字呢?

之所以需要加volatile关键字的原因是:问题出在第一行代码不在同步代码块之类,可能出现这个对象地址不为空,但是内容为空

以初始化一个Singleton singleton = new Singleton();为例,JVM 会分三个步骤完成:

a. memory = allocate() //分配内存
b. ctorInstanc(memory) //初始化对象
c. instance = memory   //设置instance指向刚分配的地址

上面的代码在编译运行时可能会出现重排序,因为bc无逻辑关联,执行的顺序是a -> b -> c或者a -> c -> b,在多线程的环境下可能会出现问题。

分析过程如下:

  • 1.线程 A 执行到第四行代码时,线程 B 进来执行第一行代码
  • 2.假设线程 A 在执行过程中发生了指令重排序,先执行了ac,没有执行b
  • 3.由于线程 A 执行了c导致instance指向了一段地址,此时线程 B 检查singleton发现不为null,会直接跳转到第五行代码,返回一个未初始化的对象,导致程序会出现报错
  • 4.因此需要在singleton变量上加一个volatile关键字,当线程 A 执行完毕b操作之后,会变量强制刷新到主内存中,此时线程 B 也可以拿到最新的对象

这就是为啥双重检锁模式中,singleton变量为啥要加一个volatile关键字的原因。

采用双重检锁的方式,可以显著的提升并发查询的效率。

六、小结

本篇文章主要围绕volatile关键字的用途、使用方式和一些坑点,做了一个简单的知识总结,内容难免有所遗漏,欢迎网友留言指出!



Tags:volatile   点击:()  评论:()
声明:本站部分内容及图片来自互联网,转载是出于传递更多信息之目的,内容观点仅代表作者本人,不构成投资建议。投资者据此操作,风险自担。如有任何标注错误或版权侵犯请与我们联系,我们将及时更正、删除。
▌相关推荐
C语言中的volatile:变量的易变性和内存访问的优化
概念:在C语言中,volatile是一个关键字,用于告诉编译器变量的值是易变的,可能会在意料之外的情况下发生改变,从而防止编译器对该变量的优化和缓存。volatile关键字用于修饰那些可...【详细内容】
2023-12-31  Search: volatile  点击:(64)  评论:(0)  加入收藏
Java中的Volatile到底是什么?
图片volatile是什么?"volatile"是一个关键字,用于修饰变量。它的作用是告诉编译器该变量可能会在意料之外的时候被修改,因此编译器在对该变量进行优化时需要特别小心。具体来说...【详细内容】
2023-10-11  Search: volatile  点击:(259)  评论:(0)  加入收藏
说说你对volatile关键字的理解?
一、简介在上篇文章中,我们介绍到在多线程环境下,如果编程不当,可能会出现程序运行结果混乱的问题。出现这个原因主要是,JMM 中主内存和线程工作内存的数据不一致,以及多个线程执...【详细内容】
2023-09-21  Search: volatile  点击:(285)  评论:(0)  加入收藏
C语言中volatile关键字的高级玩法
在C语言编程中,volatile是一个重要的关键字,用于告知编译器变量可能会在意料之外被改变,从而避免编译器对该变量的优化。尽管最常见的用途是在多线程编程中,volatile还有一些高...【详细内容】
2023-08-21  Search: volatile  点击:(455)  评论:(0)  加入收藏
volatile关键字在并发中有哪些作用?
由于计算机为了充分利用CPU的高性能,以及各个硬件 存取速度巨大的差异带来的一系列问题 为了充分压榨CPU的性能,CPU 会对指令乱序执行或者语言的编译器会指令重排,让CPU一直工...【详细内容】
2023-01-10  Search: volatile  点击:(216)  评论:(0)  加入收藏
volatile关键字详解
volatile关键字是面试中必问的一个知识点,今天我们来剖析下。volatile这个关键字可能很多朋友都听说过,或许也都用过。在Java 5之前,它是一个备受争议的关键字,因为在程序中使...【详细内容】
2020-08-12  Search: volatile  点击:(248)  评论:(0)  加入收藏
Java并发编程之验证volatile指令重排-理论篇
Java并发编程之验证volatile指令重排-理论篇Java并发包下的类中大量使用了volatile关键字。通过之前文章介绍,大家已经知道了volatile的三大特性:共享变量可见性;不保证原子性;...【详细内容】
2020-03-23  Search: volatile  点击:(313)  评论:(0)  加入收藏
▌简易百科推荐
Java 8 内存管理原理解析及内存故障排查实践
本文介绍Java8虚拟机的内存区域划分、内存垃圾回收工作原理解析、虚拟机内存分配配置,以及各垃圾收集器优缺点及场景应用、实践内存故障场景排查诊断,方便读者面临内存故障时...【详细内容】
2024-03-20  vivo互联网技术    Tags:Java 8   点击:(14)  评论:(0)  加入收藏
如何编写高性能的Java代码
作者 | 波哥审校 | 重楼在当今软件开发领域,编写高性能的Java代码是至关重要的。Java作为一种流行的编程语言,拥有强大的生态系统和丰富的工具链,但是要写出性能优异的Java代码...【详细内容】
2024-03-20    51CTO  Tags:Java代码   点击:(21)  评论:(0)  加入收藏
在Java应用程序中释放峰值性能:配置文件引导优化(PGO)概述
译者 | 李睿审校 | 重楼在Java开发领域,优化应用程序的性能是开发人员的持续追求。配置文件引导优化(Profile-Guided Optimization,PGO)是一种功能强大的技术,能够显著地提高Ja...【详细内容】
2024-03-18    51CTO  Tags:Java   点击:(24)  评论:(0)  加入收藏
Java生产环境下性能监控与调优详解
堆是 JVM 内存中最大的一块内存空间,该内存被所有线程共享,几乎所有对象和数组都被分配到了堆内存中。堆被划分为新生代和老年代,新生代又被进一步划分为 Eden 和 Survivor 区,...【详细内容】
2024-02-04  大雷家吃饭    Tags:Java   点击:(56)  评论:(0)  加入收藏
在项目中如何避免和解决Java内存泄漏问题
在Java中,内存泄漏通常指的是程序中存在一些不再使用的对象或数据结构仍然保持对内存的引用,从而导致这些对象无法被垃圾回收器回收,最终导致内存占用不断增加,进而影响程序的性...【详细内容】
2024-02-01  编程技术汇  今日头条  Tags:Java   点击:(68)  评论:(0)  加入收藏
Java中的缓存技术及其使用场景
Java中的缓存技术是一种优化手段,用于提高应用程序的性能和响应速度。缓存技术通过将计算结果或者经常访问的数据存储在快速访问的存储介质中,以便下次需要时可以更快地获取。...【详细内容】
2024-01-30  编程技术汇    Tags:Java   点击:(72)  评论:(0)  加入收藏
JDK17 与 JDK11 特性差异浅谈
从 JDK11 到 JDK17 ,Java 的发展经历了一系列重要的里程碑。其中最重要的是 JDK17 的发布,这是一个长期支持(LTS)版本,它将获得长期的更新和支持,有助于保持程序的稳定性和可靠性...【详细内容】
2024-01-26  政采云技术  51CTO  Tags:JDK17   点击:(88)  评论:(0)  加入收藏
Java并发编程高阶技术
随着计算机硬件的发展,多核处理器的普及和内存容量的增加,利用多线程实现异步并发成为提升程序性能的重要途径。在Java中,多线程的使用能够更好地发挥硬件资源,提高程序的响应...【详细内容】
2024-01-19  大雷家吃饭    Tags:Java   点击:(105)  评论:(0)  加入收藏
这篇文章彻底让你了解Java与RPA
前段时间更新系统的时候,发现多了一个名为Power Automate的应用,打开了解后发现是一个自动化应用,根据其描述,可以自动执行所有日常任务,说的还是比较夸张,简单用了下,对于office、...【详细内容】
2024-01-17  Java技术指北  微信公众号  Tags:Java   点击:(95)  评论:(0)  加入收藏
Java 在 2023 年仍然流行的 25 个原因
译者 | 刘汪洋审校 | 重楼学习 Java 的过程中,我意识到在 90 年代末 OOP 正值鼎盛时期,Java 作为能够真正实现这些概念的语言显得尤为突出(尽管我此前学过 C++,但相比 Java 影响...【详细内容】
2024-01-10  刘汪洋  51CTO  Tags:Java   点击:(74)  评论:(0)  加入收藏
站内最新
站内热门
站内头条