Java并发机制的底层实现之volatile关键字

1. volatile关键字

1.1. volatile的作用

volatile具有可见性、有序性，其保证不了原子性。下面我们对其可见性和原子性进行说明，有序性后面再说。

原子性：volatile修饰的变量，其运算并不具备原子性，对其进行多线程操作时，是不安全的。

java 复制代码

import java.util.concurrent.TimeUnit;

class Number {
    volatile int number = 0;
}

public class AtomicTest01 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Number myNumber = new Number();

        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                    myNumber.number++;
                }
            }).start();
        }

        TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
        System.out.println(myNumber.number);
    }

}

这段代码的运行结果并不总是10000，经常会是小于10000的结果。因为number++运算，要经历多条CPU指令，如加载number的原始值到寄存器、为原始值加1、将运算结果写会CPU缓存，在多线程的情况下，线程A可能执行到为原始值加1这条指令了，线程B可能正好在执行加载number的原始值到寄存器，这样线程B加载的就是线程A还没有进行加1的值，这样最终的计算结果就会比预想的值要小。

综上可以看出，基础类型被volatile关键字修饰后，其运算也是不具备原子性的。

可见性：出现可见性问题的原因是现在进入CPU多核时代，另外为了弥补CPU与内存之间的性能差异，在每个CPU核心都设置了多级缓存，CPU在代码的过程中，会将对一些变量的修改，先放到CPU缓存中，并不立即同步到主内存。这对于代码中的局部变量还好，在每个线程中的局部变量是互不影响的。对于共享变量，就会存在比较大问题，线程A对共享变量的修改一开始只会将修改结果同步到CPU缓存中，没有写回主内存，这样线程B在读取这个共享变量的时候，就会读取到以前的旧值。

这种情况下，可以使用volatile关键字对共享变量进行修饰，这样对共享变量进行修改时，就会立即同步到主内存中，另外其他线程在读取volatile关键字修饰的共享变量时，也会主动去主内存中去查找最新的值。

java 复制代码

import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class VisibleTest01 {

    volatile static boolean flag = true;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = Thread.ofVirtual().name("t1_thread").start(() -> {
            while (flag) {
                for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                    i = i + 1;
                }
            }

            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " stop runnuing");
        });

        TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(2000);

        Thread t2 = Thread.ofVirtual().name("t2_thread").start(() -> {
            flag = false;
        });

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

}

上面代码中，flag如果不使用volatile修饰的话，t1线程将长时间执行while循环，因为它一直捕获不到flag已经被设置为true了。

像System.out.println()（该方法中有Lock和synchronized代码块，进入这些代码块的时候，会刷新线程的CPU缓存区域）、Thread.sleep(n)等语句，很多都有类似volatile的可见性效果，如果while循环中有类似语句，也达不到上面代码的演示效果，即使flag不用volatile修饰，t1线程也不会长时间在while循环中。