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Java并发编程 volatile

岛上码农 2021-09-24 阅读 148

1. volatile是什么?

volatile是一种同步机制,比synchronized或者Lock相关类更轻量,因为使用volatile并不会发生上下文切换等开销很大的行为。
如果一个变量别修饰成volatile,那么JVM就知道了这个变量可能会被并发修改。
但是开销小,相应的能力也小,虽然说volatile是用来同步的保证线程安全的,但是volatile做不到synchronized那样的原子保护, volatile仅在很有限的场景下才能发挥作用。

2. volatile的适用场合

2.1.不适用: a++
/**
 * 描述:     不适用于volatile的场景
 */
public class NoVolatile implements Runnable {

    volatile int a;
    AtomicInteger realA = new AtomicInteger();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Runnable r =  new NoVolatile();
        Thread thread1 = new Thread(r);
        Thread thread2 = new Thread(r);
        thread1.start();
        thread2.start();
        thread1.join();
        thread2.join();
        System.out.println(((NoVolatile) r).a);
        System.out.println(((NoVolatile) r).realA.get());
    }
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            a++;
            realA.incrementAndGet();
        }
    }
}
2.2.适用场合
1.对变量的写操作不依赖于当前值。

如果一个共享变量自始至终只被各个线程赋值,而没有其他的操作,也不依赖原来的状态,那么就可以volatile来代替synchronized或者代替原子变量,因为赋值自身是有原子性的,而volatile又保证了可见性,所以就足以保证线程安全。
作为触发器,实现轻量级同步。

public class UseVolatile1 implements Runnable {

    volatile boolean done = false;
    AtomicInteger realA = new AtomicInteger();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Runnable r =  new UseVolatile1();
        Thread thread1 = new Thread(r);
        Thread thread2 = new Thread(r);
        thread1.start();
        thread2.start();
        thread1.join();
        thread2.join();
        System.out.println(((UseVolatile1) r).done);
        System.out.println(((UseVolatile1) r).realA.get());
    }
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            setDone();
            realA.incrementAndGet();
        }
    }

    private void setDone() {
        done = true;
    }
}
true
20000

注意:volatile修饰boolean变量不能依赖原来的状态,否则boolean变量是不可靠的

错误使用

/**
 * 描述:     volatile不适用的情况2
 */
public class NoVolatile2 implements Runnable {

    volatile boolean done = false;
    AtomicInteger realA = new AtomicInteger();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Runnable r =  new NoVolatile2();
        Thread thread1 = new Thread(r);
        Thread thread2 = new Thread(r);
        thread1.start();
        thread2.start();
        thread1.join();
        thread2.join();
        System.out.println(((NoVolatile2) r).done);
        System.out.println(((NoVolatile2) r).realA.get());
    }
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            flipDone();
            realA.incrementAndGet();
        }
    }

    private void flipDone() {
        done = !done;
    }
}

输出结果

true
20000

或者

false
20000
2.作为刷新之前变量的触发器
Map configOptions;
char[] configText;
volatile boolean initialized = false;
 
. . .
 
// In thread A
 
configOptions = new HashMap();
configText = readConfigFile(fileName);
processConfigOptions(configText, configOptions);
initialized = true;
 
. . .
 
// In thread B
 
while (!initialized) 
  sleep();
// use configOptions

volatile 的作用是什么?与 synchronized 有什么异同?

3.volatile 的作用

第一层的作用是保证可见性。Happens-before 关系中对于 volatile 是这样描述的:对一个 volatile 变量的写操作 happen-before 后面对该变量的读操作

这就代表了如果变量被 volatile 修饰,那么每次修改之后,接下来在读取这个变量的时候一定能读取到该变量最新的值

第二层的作用就是禁止重排序。as-if-serial语义:不管怎么重排序,(单线程)程序的执行结果不会改变。在满足 as-if-serial 语义的前提下,由于编译器或 CPU 的优化,代码的实际执行顺序可能与我们编写的顺序是不同的,这在单线程的情况下是没问题的,但是一旦引入多线程,这种乱序就可能会导致严重的线程安全问题。用了 volatile 关键字就可以在一定程度上禁止这种重排序

4.volatile 和 synchronized 的关系

相似性volatile 可以看作是一个轻量版的 synchronized,比如一个共享变量如果自始至终只被各个线程赋值和读取,而没有其他操作的话,那么就可以用 volatile 来代替 synchronized 或者代替原子变量,足以保证线程安全。实际上,对 volatile 字段的每次读取或写入都类似于“半同步”——读取 volatile 与获取 synchronized 锁有相同的内存语义,而写入 volatile 与释放 synchronized 锁具有相同的语义

不可代替:但是在更多的情况下,volatile 是不能代替 synchronized 的,volatile 并没有提供原子性和互斥性

性能方面:volatile 属性的读写操作都是无锁的,正是因为无锁,所以不需要花费时间在获取锁和释放锁上,所以说它是高性能的,比 synchronized 性能更好

4.总结

  1. volatile修饰符适用于以下场景:某个属性被多个线程共享,其中有一个线程修改了此属性,其他线程可以立即得到修改后的值,比如boolean flag;或者作为触发器,实现轻量级同步。
  2. volatile属性的读写操作都是无锁的,它不能替代synchronized,因为它没有提供原子性互斥性。因为无锁,不需要花费时间在获取锁和释放锁上,所以说它是低成本的。
  3. volatile只能作用于属性,我们用volatile修饰属性,这样compilers就不会对这个属性做指令重排序
  4. volatile提供了可见性,任何一个线程对其的修改将立马对其他线程可见,volatile属性不会被线程缓存,始终从主存中读取
  5. volatile提供了 happens-before保证,对volatile变量v的写入happens-before所有其他线程后续对v的读操作。
  6. volatile可以使得long和double的赋值是原子(a++等不是)的。
  7. volatile可以在单例双重检查中实现可见性和禁止指令重排序,从而保证安全性。

特别感谢:

悟空

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