JUC并发编程之Volatile关键字详解
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2021-04-12 20:50
保证被volatile修饰的共享变量对所有线程总数可见的，也就是当一个线程修改了一个被volatile修饰共享变量的值，新值总是可以被其他线程立即得知。
禁止指令重排序优化。
@Slf4jpublic class Test01 {private static boolean initFlag = false;public static void refresh() {log.info("refresh data.......");initFlag = true;log.info("refresh data success.......");}public static void main(String[] args) {Thread threadA = new Thread(() -> {while (!initFlag) {}log.info("线程：" + Thread.currentThread().getName()+ "当前线程嗅探到initFlag的状态的改变");}, "threadA");threadA.start();try {Thread.sleep(500);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}Thread threadB = new Thread(() -> {refresh();}, "threadB");threadB.start();}}
带着这个疑惑，将代码稍微改动一下，往 "initFlag" 变量加上"volatile"，然后再来看看它的效果是如何?
先来看看这种图，或许会更加的好理解一点
分析结论：先看到我红色标记的一段话，A线程内部的循环最终都会跳出来，只不过是时间长短的问题而已。
结合上图分析，initFlag作为成员变量，程序会将它存放在主内存中，当线程A和B启动后，如果线程需要用到主内存的initFlag，线程会从主内存中将变量复制一份到自己内部的工作内存中，然后再对变量进行操作。而不是直接在线程内部对主内存中的变量进行操作。那么这就会有一个问题，当线程B对工作内存中的initFlag值进行改变后，然后将initFlag值从工作内存中推回到主内存，这时候线程A可能不会立即知道主内存的值已经发生了改变，因为A线程中的空循环它的优先级是非常高的，它会一直占用CPU来执行这串代码，这就导致JVM无法让CPU分点时间去主内存中拉取最新的值。而加了volatile后，它会通知其他有用到initFlag变量的线程，强制它去拉取主内存中最新变量的值，然后重新刷回到内部的工作内存中。简单来说，加了volatile关键字会强制保证线程的可见性；而不加的话，JVM也会尽力的保证线程的可见性(也就是CPU空闲的时候)，这也就是我前面为什么会说无论是否加了 "volatile" A线程内部的循环最终都会退出来原因。
看到这相信对volatile的可见性有了一定的了解，接着再继续来看看volatile它是否能够解决并发中的原子性呢？
public class Test02 {private static int counter = 0;public static void main(String[] args) {for (int i = 0; i < 100; i++) {Thread thread = new Thread(()->{for (int j = 0; j < 1000; j++) {counter++;}});thread.start();}try {Thread.sleep(3000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println(counter);}}
下图是在成员变量上加了volatile的效果图
因为volatile它并不能够解决并发中的原子性问题，看到这是不是又懵逼了？代码中的counter++就一行代码，为什么不是原子操作呢？？其实这里是有一个坑的，其实counter++并非是一步操作，它在底层是被拆分为三个步骤进行执行的，且看，counter++操作是counter = counter + 1的简写操作对吧，那么我们可以简单的思考一下，counter的值是怎么来的呢？
根据这个思考，再来拆分一下它三个细致的步骤：
我们都知道，线程是基于时间片进行执行的，在多线程下，假如线程内部刚好执行完第一步或者第二步操作，这个时候CPU发生中断操作，它并没有去执行该线程内的第三步操作（意思是暂停执行第三步操作，等到时间片轮询到该线程再回来继续执行接下来的操作），转而去执行另外一个线程的一个自增操作，这个时候就会出现问题，第一个线程执行完第二步操作后发生暂停，转而执行第二个线程自增操作，回看前面所说的volatile可见性特性， 因为加了volatile的原因，第二个线程改变完值后，会通知第一个线程现有的counter变量已经过期，需要重新去拉取主内存最新的值，这个时候就会造成，我两个线程都发生了自增操作，但是只有一个线程自增成功了，那么结果自然就不对，这也就造成了线程安全的问题。
从上面例子我们可以确定volatile是不能保证原子性的，要保证运算的原子性可以使用java.util.concurrent.atomic包下的一些原子操作类，或者使用synchronized同步块和Lock锁来解决该问题。
我前面有提到过线程是基于时间片执行的，从时间的维度上来讲，在线程内，上一行代码总会比下一行代码优先执行，但是在CPU里面它又不同了，它可能会将下一行的代码放到上一行先去执行，看到这估计有小伙伴有点懵了？啥玩意儿？这不是逗我玩吗？代码上中是从上往下执行，结果到你CPU又给我乱序执行？说着这，就不得不说到指令重排的概念了。
什么是指令重排
为什么要指令重排
下图为从源码到最终执行的指令序列示意图：
@Slf4jpublic class Test03 {private static int x = 0, y = 0;private static int a = 0, b = 0;public static void main(String[] args) throws InterruptedException {int i = 0;for (; ; ) {i++;x = 0;y = 0;a = 0;b = 0;Thread t1 = new Thread(()->{shortWait(10000);a = 1;x = b;});Thread t2 = new Thread(()->{b = 1;y = a;});t1.start();t2.start();t1.join();t2.join();String result = "第" + i + "次 (" + x + "," + y + "）";if (x == 0 && y == 0) {System.out.println(result);break;} else {log.info(result);}}}/*** 等待一段时间，时间单位纳秒** @param interval*/public static void shortWait(long interval) {long start = System.nanoTime();long end;do {end = System.nanoTime();} while (start + interval >= end);}}
第一种结果：先排除指令重排，当这段代码以我们视觉效果的从上往下执行，结果就是x=0,y=1（因为t1线程已经执行完了，t2线程才来执行）
volatile禁止重排优化
内存屏障其实简单理解的话，假如代码中有两行代码，这两行代码在底层可能会发生指令重排，那么我不想让他发生重排怎么办呢？内存屏障的作用就体现出来啦，我们可以将内存屏障插在两行代码中间，告诉编译器或者CPU等，不让它进行重排，当然内存屏障是关于硬件层面的一些知识了，其实JVM也帮我们基于硬件层面的内存屏障封装好了软件层面的内存屏障，先来看看硬件层的内存屏障有哪些？
硬件层的内存屏障
看到这，针对上面的几个表格看的是不是还有点懵圈，没关系，我接下来会对上面的表格的内容做一个简单总结，以及通过代码演示。相信大家伙应该会收获很多。
public class ReadAndWrithe {int a = 1;int c = 0;private static volatile int d = 5;/*** 第一个操作普通读写 第二个操作普通读写 可以重排*/public void test1() {//第一个操作:普通读写//读取的a变量是成员变量但是没有被volatile所修饰,所以为普通读操作//定义的b变量是局部变量,所以为普通写操作int b = a + 1;//第二个操作:普通读写//读取的a变量和b变量都没有被volatile所修饰,所以为普通读操作//定义的c变量是成员变量没有被volatile所修饰,所以为普通写操作c = 2;//该结论则是可以重排}/*** 第一个操作普通读写 第二个操作volatile读 可以重排*/public void test2() {//第一个操作:普通读写//读取的a变量是成员变量但是没有被volatile所修饰,所以为普通读操作//定义的b变量是局部变量,所以为普通写操作int b = a + 1;//第二个操作:volatile读（准确来说:volatile读,普通写）//读取的d变量是成员变量且是被volatile所修饰,所以为volatile读操作//定义的c变量是成员变量没有被volatile所修饰,所以为普通写操作c = d;//该结论则是可以重排}/*** 第一个操作普通读 第二个操作volatile写 不可以重排*/public void test3() {//第一个操作:普通读写//读取的a变量是成员变量但是没有被volatile所修饰,所以为普通读操作//定义的b变量是局部变量,所以为普通写操作int b = a + 1;//第二个操作:volatile写（准确来说:volatile写,普通读）//读取的c变量是成员变量但是没有被volatile所修饰,所以为普通读操作//赋值d变量是成员变量且是被volatile所修饰,所以为volatile写操作d = c;//该结论则是不可以重排}}
public class ReadAndWrithe {int a = 1;int c = 0;private static volatile int d = 5;/*** 第一个操作为volatile读,第二个操作为普通读写 不允许重排*/public void test1() {//第一个操作:volatile读（准确来说:volatile读，普通写）//读取的d变量是成员变量是被volatile所修饰,所以为volatile读//定义的j变量为成员变量,所以为普通写int j = d;//第二个操作:普通读写a = 5;}/*** 第一个操作为volatile读,第二个操作为volatile读 不允许重排*/public void test2() {//第一个操作:volatile读//读取的d变量是成员变量是被volatile所修饰,所以为volatile读//定义的j变量为成员变量,所以为普通写int j = d;//第二个操作:volatile读//读取的d变量是成员变量是被volatile所修饰,所以为volatile读//定义的f变量为成员变量,所以为普通写int f = d;}/*** 第一个操作为volatile读,第二个操作为volatile写 不允许重排*/public void test3() {//第一个操作:volatile读//读取的d变量是成员变量是被volatile所修饰,所以为volatile读//定义的j变量为成员变量,所以为普通写int j = d;//第二个操作:volatile写//读取的a变量是成员变量但不是被volatile所修饰,普通读//赋值的d变量为volatile所修饰,所以为volatile写d = a;}}
public class ReadAndWrithe {int a = 1;int c = 0;private static volatile int d = 5;private static volatile int d2 = 2;/*** 第一个操作为volatile写,第二个操作为普通读写 可以重排*/public void test1() {//第一个操作:volatile写（准确来说:volatile写，普通读）//3:普通读//赋值的d是volatile所修饰的,所以为volatile写d = 3;//第二个操作:普通读写a = 5;}/*** 第一个操作为volatile写,第二个操作为volatile读 不允许重排*/public void test2() {//第一个操作:volatile写//3:普通读//赋值的d是volatile所修饰的,所以为volatile写d = 3;//第二个操作:volatile读//读取的d变量是成员变量是被volatile所修饰,所以为volatile读//定义的f变量为成员变量,所以为普通写int f = d;}/*** 第一个操作为volatile写,第二个操作为volatile写 不允许重排*/public void test3() {//第一个操作:volatile写//3:普通读//赋值的d是volatile所修饰的,所以为volatile写d = 3;//第二个操作:volatile写//读取的a变量是成员变量但不是被volatile所修饰,普通读//赋值的d2变量为volatile所修饰,所以为volatile写d2 = a;}}
当然jvm虚拟机也不会随意将我们的代码进行指令重排,还需要遵守以下规则
happens-before 原则
1.程序顺序原则，即在一个线程内必须保证语义串行性，也就是说按照代码顺序执行。
2.锁规则 解锁(unlock)操作必然发生在后续的同一个锁的加锁(lock)之前，也就是说，如果对于一个锁解锁后，再加锁，那么加锁的动作必须在解锁动作之后(同一个锁)。
3.volatile规则 volatile变量的写，先发生于读，这保证了volatile变量的可见性，简单的理解就是，volatile变量在每次被线程访问时，都强迫从主内存中读该变量的值，而当该变量发生变化时，又会强迫将最新的值刷新到主内存，任何时刻，不同的线程总是能够看到该变量的最新值。
4.线程启动规则 线程的start()方法先于它的每一个动作，即如果线程A在执行线程B的start方法之前修改了共享变量的值，那么当线程B执行start方法时，线程A对共享变量的修改对线程B可见
5.传递性 A先于B ，B先于C 那么A必然先于C
6.线程终止规则 线程的所有操作先于线程的终结，Thread.join()方法的作用是等待当前执行的线程终止。假设在线程B终止之前，修改了共享变量，线程A从线程B的join方法成功返回后，线程B对共享变量的修改将对线程A可见。
7.线程中断规则 对线程 interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生，可以通过Thread.interrupted()方法检测线程是否中断。
8.对象终结规则对象的构造函数执行，结束先于finalize()方法
我是黎明大大,我知道我没有惊世的才华，也没有超于凡人的能力，但毕竟我还有一个不屈服，敢于选择向命运冲锋的灵魂，和一个就是伤痕累累也要义无反顾走下去的心。
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