Java 并发编程：volatile 关键字介绍与使用

栗筝i2024-08-05 5:03

大家好，我是栗筝i，这篇文章是我的 "栗筝i 的 Java 技术栈" 专栏的第 026 篇文章，在 "栗筝i 的 Java 技术栈" 这个专栏中我会持续为大家更新 Java 技术相关全套技术栈内容。专栏的主要目标是已经有一定 Java 开发经验，并希望进一步完善自己对整个 Java 技术体系来充实自己的技术栈的同学。与此同时，本专栏的所有文章，也都会准备充足的代码示例和完善的知识点梳理，因此也十分适合零基础的小白和要准备工作面试的同学学习。当然，我也会在必要的时候进行相关技术深度的技术解读，相信即使是拥有多年 Java 开发经验的从业者和大佬们也会有所收获并找到乐趣。

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在现代多线程编程中，确保数据的一致性和正确性是至关重要的。Java 作为一种广泛使用的编程语言，为多线程编程提供了丰富的工具和机制，其中 volatile 关键字是一个关键的概念。volatile 关键字在 Java 中被用来修饰变量，以确保它们在多线程环境下的可见性和有序性，但它并不保证操作的原子性。

理解 volatile 的工作原理及其应用场景，对于编写高效和可靠的多线程程序至关重要。在本文中，我们将深入探讨 volatile 关键字的核心特性，解释它如何确保变量的可见性和有序性，以及它在解决多线程问题中的局限性。我们还将通过示例展示如何在实际编程中使用 volatile，以及如何通过其他同步机制来弥补 volatile 的不足。

通过对 volatile 的详细分析，我们希望读者能够更好地理解在多线程环境中变量访问的复杂性，并掌握在实际开发中如何正确使用 volatile 关键字，以编写出更加健壮和高效的并发程序。

文章目录

      • [1、volatile 关键字简介](#1、volatile 关键字简介)
      • [2、volatile 保证可见性](#2、volatile 保证可见性)
      • [3、volatile 保证有序性](#3、volatile 保证有序性)
      • [4、volatile 不保证原子性的详细介绍](#4、volatile 不保证原子性的详细介绍)

1、volatile 关键字简介

volatile 关键字在 Java 中用于修饰变量，使其具有可见性和有序性。

  • 可见性：在多线程环境下，当一个线程修改了 volatile 变量的值，新值对于其他线程是立即可见的。通常情况下，线程之间对变量的读写操作是不可见的，这意味着一个线程修改了变量的值，另一个线程可能看不到这个修改，仍然使用旧值。使用 volatile 关键字可以确保所有线程看到的是变量的最新值；
  • 有序性：volatile 关键字还可以防止指令重排序优化。编译器和处理器通常会对指令进行重排序，以提高性能，但这种重排序可能会破坏多线程程序的正确性。volatile 变量的读写操作不会被重排序，也不会与前后的读写操作发生重排序。

需要注意的是 volatile 仅能保证可见性和有序性，不能保证原子性。例如，volatile int count 的递增操作 count++ 仍然不是线程安全的，因为它包含了读和写两个操作，可能会被其他线程打断。

在复杂的同步场景中，可能需要使用 synchronized 或其他并发工具来确保线程安全。

2、volatile 保证可见性

在多线程编程中，线程之间共享变量的访问可能会出现可见性问题，即一个线程对变量的修改可能不会被其他线程立即看到。Java 提供了 volatile 关键字来解决这种可见性问题。

2.1、什么是可见性问题

当一个线程修改了某个变量的值，如果这个修改对其他线程是不可见的，可能会导致程序出现非预期的行为。例如，一个线程修改了变量 flag 的值，但其他线程仍然读取的是旧值：

java 复制代码 
public class VisibilityProblem {
    private boolean flag = true;

    public void stop() {
        flag = false;
    }

    public void run() {
        while (flag) {
            // 执行任务
        }
    }
}

在这个例子中，如果 flag 变量没有被声明为 volatile，当一个线程调用 stop 方法将 flag 设置为 false 后，另一个正在运行 run 方法的线程可能无法立即看到这个变化，仍然会在 while (flag) 循环中继续执行。

2.2、volatile 如何保证可见性

volatile 关键字通过以下机制确保变量的可见性：

  1. 内存可见性协议：

    • 每个线程都有自己的本地缓存，当一个线程对变量进行读写操作时，实际上是从本地缓存中读取或写入的，而不是直接操作主内存中的变量。
    • 当一个变量被声明为 volatile 时，所有线程对该变量的读写操作都将直接操作主内存，而不是使用本地缓存。
    • 当一个线程修改了 volatile 变量的值，这个新值会立即刷新到主内存中。
    • 任何线程在读取 volatile 变量时，都会从主内存中读取最新的值，而不是从本地缓存中读取旧值。

  2. 内存屏障：

    • volatile 关键字在底层实现中，会在变量的读写操作前后插入内存屏障（Memory Barrier）。
    • 内存屏障确保了指令的执行顺序，防止编译器和处理器对 volatile 变量的读写操作进行重排序。
    • 写内存屏障：确保在写 volatile 变量之前的所有写操作都已经完成，并且结果对其他线程可见。
    • 读内存屏障：确保在读 volatile 变量之后的所有读操作都能读取到最新的值。

示例代码：

java 复制代码 
public class VolatileExample {
    private volatile boolean running = true;

    public void stop() {
        running = false;
    }

    public void run() {
        while (running) {
            // 执行任务
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        VolatileExample example = new VolatileExample();
        Thread thread = new Thread(example::run);
        thread.start();

        try {
            Thread.sleep(1000); // 让线程运行一段时间
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        example.stop(); // 停止线程
    }
}

在这个例子中，running 变量被声明为 volatile，确保 stop 方法对 running 的修改能够立即被 run 方法中的循环检测到。

3、volatile 保证有序性

在多线程编程中，指令重排序（Instruction Reordering）可能会导致程序的执行顺序与代码的书写顺序不一致，从而引发不可预测的问题。volatile 关键字通过内存屏障（Memory Barrier）机制，防止指令重排序，确保代码执行的有序性。

3.1、什么是指令重排序

为了优化程序的执行速度，编译器和处理器会对指令进行重排序。重排序包括以下三种类型：

  1. 编译器重排序：编译器在生成机器指令时，可以重新安排代码的执行顺序。
  2. 处理器重排序：处理器可以在运行时对指令进行重排序，以充分利用处理器流水线。
  3. 内存系统重排序：由于缓存、写缓冲区等原因，内存操作的顺序可能与程序代码的顺序不同。

尽管重排序不会改变单线程程序的语义，但在多线程环境下，重排序可能会导致线程间的操作顺序不一致，从而引发数据竞争和线程安全问题。

3.2、volatile 如何保证有序性

volatile 关键字通过插入内存屏障，确保指令的执行顺序。内存屏障是一种同步机制，防止特定类型的指令在重排序时被移动到屏障的另一侧。volatile 变量的读写操作前后会插入内存屏障，确保有序性：

  1. 写内存屏障（Store Barrier）：在写 volatile 变量之前插入，确保在此屏障之前的所有写操作都已完成，并且结果对其他线程可见；
  2. 读内存屏障（Load Barrier）：在读 volatile 变量之后插入，确保在此屏障之后的所有读操作能读取到最新的值。

具体而言，volatile 保证了以下两点：

  1. 写 volatile 变量之前的所有写操作不会被重排序到 volatile 写之后；
  2. 读 volatile 变量之后的所有读操作不会被重排序到 volatile 读之前。

示例代码：

java 复制代码 
public class VolatileOrderingExample {
    private volatile boolean flag = false;
    private int a = 0;

    public void writer() {
        a = 1;         // 写普通变量
        flag = true;   // 写volatile变量
    }

    public void reader() {
        if (flag) {    // 读volatile变量
            int i = a; // 读普通变量
            // `i` 将是 1，因为 `flag` 为 true 时，`a` 必定已经被写为 1
        }
    }
}

在这个例子中，writer 方法中对 a 的写操作不会被重排序到 flag 之后，因此在 reader 方法中，一旦检测到 flag 为 true，就能确保读取到的 a 的值是最新的 1。

4、volatile 不保证原子性的详细介绍

在多线程编程中，volatile 关键字可以保证变量的可见性和有序性，但不能保证操作的原子性。原子性（Atomicity）指的是操作在执行过程中不可分割，要么全部执行，要么全部不执行。

4.1、什么是原子性问题

在多线程环境下，非原子操作可能会导致数据不一致。例如，自增操作 i++ 看似简单，但它实际上由三步组成：

  1. 读取变量 i 的当前值；
  2. 将 i 的值加 1；
  3. 将新值写回 i。

这三步操作在多线程环境下可能会被打断，从而导致数据竞争问题。假设两个线程同时执行 i++ 操作：

  1. 线程 A 读取 i 的值为 5。
  2. 线程 B 读取 i 的值为 5。
  3. 线程 A 将 i 的值加 1 并写回，i 的值变为 6。
  4. 线程 B 将 i 的值加 1 并写回，i 的值变为 6。

最终结果是，虽然两个线程都执行了 i++ 操作，但 i 的值只增加了 1。这就是因为 i++ 操作不是原子的。

4.2、volatile 的局限性

volatile 仅能确保变量的可见性和有序性，但不能确保操作的原子性。换句话说，使用 volatile 修饰的变量虽然可以在多个线程之间及时同步，但多个线程对该变量的复合操作（如自增、自减）仍然会存在数据竞争问题。

以下是一个例子，说明了 volatile 不保证原子性的问题：

java 复制代码 
public class VolatileNonAtomic {
    private volatile int count = 0;

    public void increment() {
        count++;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        VolatileNonAtomic example = new VolatileNonAtomic();

        Runnable task = () -> {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                example.increment();
            }
        };

        Thread t1 = new Thread(task);
        Thread t2 = new Thread(task);

        t1.start();
        t2.start();

        t1.join();
        t2.join();

        System.out.println("Final count: " + example.count);
    }
}

在这个例子中，尽管 count 变量被声明为 volatile，但由于 increment 方法中的 count++ 操作不是原子的，最终的 count 值可能小于 2000。

4.3、解决方法

为了确保操作的原子性，可以使用以下方法：

  1. 使用 synchronized 关键字：将操作包装在同步块中，确保操作的原子性。

    java 复制代码 
    public class SynchronizedExample {
    private int count = 0;

    public synchronized void increment() {
        count++;
    }
}

  2. 使用原子类：Java 提供了 java.util.concurrent.atomic 包中的原子类（如 AtomicInteger、AtomicLong）来确保操作的原子性。

    java 复制代码 
    import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class AtomicExample {
    private AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);

    public void increment() {
        count.incrementAndGet();
    }
}
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