volatile 關(guān)鍵字的作用

作者 | 磊哥

來源 | Java面試真題解析（ID：aimianshi666）

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volatile 是 Java 并發(fā)編程的重要組成部分，也是常見的面試題之一，它的主要作用有兩個：保證內(nèi)存的可見性和禁止指令重排序。下面我們具體來看這兩個功能。

內(nèi)存可見性

說到內(nèi)存可見性問題就不得不提 Java 內(nèi)存模型，Java 內(nèi)存模型（Java Memory Model）簡稱為 JMM，主要是用來屏蔽不同硬件和操作系統(tǒng)的內(nèi)存訪問差異的，因為在不同的硬件和不同的操作系統(tǒng)下，內(nèi)存的訪問是有一定的差異得，這種差異會導致相同的代碼在不同的硬件和不同的操作系統(tǒng)下有著不一樣的行為，而 Java 內(nèi)存模型就是解決這個差異，統(tǒng)一相同代碼在不同硬件和不同操作系統(tǒng)下的差異的。

Java 內(nèi)存模型規(guī)定：所有的變量（實例變量和靜態(tài)變量）都必須存儲在主內(nèi)存中，每個線程也會有自己的工作內(nèi)存，線程的工作內(nèi)存保存了該線程用到的變量和主內(nèi)存的副本拷貝，線程對變量的操作都在工作內(nèi)存中進行。線程不能直接讀寫主內(nèi)存中的變量，如下圖所示：然而，Java 內(nèi)存模型會帶來一個新的問題，那就是內(nèi)存可見性問題，也就是當某個線程修改了主內(nèi)存中共享變量的值之后，其他線程不能感知到此值被修改了，它會一直使用自己工作內(nèi)存中的“舊值”，這樣程序的執(zhí)行結(jié)果就不符合我們的預期了，這就是內(nèi)存可見性問題，我們用以下代碼來演示一下這個問題：

private?static?boolean?flag?=?false;
public?static?void?main(String[]?args)?{
????Thread?t1?=?new?Thread(new?Runnable()?{
????????@Override
????????public?void?run()?{
????????????while?(!flag)?{

????????????}
????????????System.out.println("終止執(zhí)行");
????????}
????});
????t1.start();
????Thread?t2?=?new?Thread(new?Runnable()?{
????????@Override
????????public?void?run()?{
????????????try?{
????????????????Thread.sleep(1000);
????????????}?catch?(InterruptedException?e)?{
????????????????e.printStackTrace();
????????????}
????????????System.out.println("設置?flag=true");
????????????flag?=?true;
????????}
????});
????t2.start();
}

以上代碼我們預期的結(jié)果是，在線程 1 執(zhí)行了 1s 之后，線程 2 將 flag 變量修改為 true，之后線程 1 終止執(zhí)行，然而，因為線程 1 感知不到 flag 變量發(fā)生了修改，也就是內(nèi)存可見性問題，所以會導致線程 1 會永遠的執(zhí)行下去，最終我們看到的結(jié)果是這樣的：如何解決以上問題呢？只需要給變量 flag 加上 volatile 修飾即可，具體的實現(xiàn)代碼如下：

private?volatile?static?boolean?flag?=?false;
public?static?void?main(String[]?args)?{
????Thread?t1?=?new?Thread(new?Runnable()?{
????????@Override
????????public?void?run()?{
????????????while?(!flag)?{

????????????}
????????????System.out.println("終止執(zhí)行");
????????}
????});
????t1.start();
????Thread?t2?=?new?Thread(new?Runnable()?{
????????@Override
????????public?void?run()?{
????????????try?{
????????????????Thread.sleep(1000);
????????????}?catch?(InterruptedException?e)?{
????????????????e.printStackTrace();
????????????}
????????????System.out.println("設置?flag=true");
????????????flag?=?true;
????????}
????});
????t2.start();
}

以上程序的執(zhí)行結(jié)果如下圖所示：

禁止指令重排序

指令重排序是指編譯器或 CPU 為了優(yōu)化程序的執(zhí)行性能，而對指令進行重新排序的一種手段。

指令重排序的實現(xiàn)初衷是好的，但是在多線程執(zhí)行中，如果執(zhí)行了指令重排序可能會導致程序執(zhí)行出錯。指令重排序最典型的一個問題就發(fā)生在單例模式中，比如以下問題代碼：

public?class?Singleton?{
????private?Singleton()?{}
????private?static?Singleton?instance?=?null;
????public?static?Singleton?getInstance()?{
????????if?(instance?==?null)?{?//?①
????????????synchronized?(Singleton.class)?{
????????????????if?(instance?==?null)?{
????????????????????instance?=?new?Singleton();?//?②
????????????????}
????????????}
????????}
????????return?instance;
????}
}

以上問題發(fā)生在代碼 ② 這一行“instance = new Singleton();”，這行代碼看似只是一個創(chuàng)建對象的過程，然而它的實際執(zhí)行卻分為以下 3 步：

1. 創(chuàng)建內(nèi)存空間。
2. 在內(nèi)存空間中初始化對象 Singleton。
3. 將內(nèi)存地址賦值給 instance 對象（執(zhí)行了此步驟，instance 就不等于 null 了）。

如果此變量不加 volatile，那么線程 1 在執(zhí)行到上述代碼的第 ② 處時就可能會執(zhí)行指令重排序，將原本是 1、2、3 的執(zhí)行順序，重排為 1、3、2。但是特殊情況下，線程 1 在執(zhí)行完第 3 步之后，如果來了線程 2 執(zhí)行到上述代碼的第 ① 處，判斷 instance 對象已經(jīng)不為 null，但此時線程 1 還未將對象實例化完，那么線程 2 將會得到一個被實例化“一半”的對象，從而導致程序執(zhí)行出錯，這就是為什么要給私有變量添加 volatile 的原因了。

要使以上單例模式變?yōu)榫€程安全的程序，需要給 instance 變量添加 volatile 修飾，它的最終實現(xiàn)代碼如下：

public?class?Singleton?{
????private?Singleton()?{}
????//?使用?volatile?禁止指令重排序
????private?static?volatile?Singleton?instance?=?null;?//?【主要是此行代碼發(fā)生了變化】
????public?static?Singleton?getInstance()?{
????????if?(instance?==?null)?{?//?①
????????????synchronized?(Singleton.class)?{
????????????????if?(instance?==?null)?{
????????????????????instance?=?new?Singleton();?//?②
????????????????}
????????????}
????????}
????????return?instance;
????}
}

總結(jié)

volatile 是 Java 并發(fā)編程的重要組成部分，它的主要作用有兩個：保證內(nèi)存的可見性和禁止指令重排序。volatile 常使用在一寫多讀的場景中，比如 CopyOnWriteArrayList 集合，它在操作的時候會把全部數(shù)據(jù)復制出來對寫操作加鎖，修改完之后再使用 setArray 方法把此數(shù)組賦值為更新后的值，使用 volatile 可以使讀線程很快的告知到數(shù)組被修改，不會進行指令重排，操作完成后就可以對其他線程可見了。

是非審之于己，毀譽聽之于人，得失安之于數(shù)。

公眾號：Java面試真題解析

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