《volatile使用与学习总结：2023-12-17》多层面分析学习java关键字--volatile

一、简介

volatile是java中提供的一种轻量级的同步机制，相比于synchronized更加轻量，因为volatile避免了线程频繁的上下文切换和调度，但是也有缺点，同步性差并且使用起来易出错。

二、并发编程的三个概念

1. 原子性
   原子性即一个操作或者多个操作要不全部执行完（执行过程不被干扰），要不都不执行。
2. 可见性
   可见性指的是，当一个线程操作一个变量的值时，在其他线程是可以及时看到这个变量修改后的值，并能获取来操作。对比与synchronized和lock，这两者也都能保证可见性，因为它们在每次释放锁之前都会将修改好的变量值更新到主内存中，保证了可见性。
3. 有序性
   即程序执行的顺序是按照代码的先后顺序来执行的。
   java内存模型中所说的有序性总结为，在本线程中看都是有序执行的，在一个线程看另外一个线程都是无序的，也就是说前半句表示“线程内表现为串型语义”，后面句表示“指令重排序”现象和“主内存与工作内存同步延迟”现象。
   

三、锁的互斥和可见性

1. 互斥：即一次只允许一个线程持有某个特定的锁，而且一次只允许一个线程访问共享数据
2. 锁的可见性：在前一个线程释放锁之前对变量进行更改后，将更改后的变量由工作内存更新到主内存中，保证下一个获得该锁的线程对这个变量具有可见性，如果没有及时更新到主内存中后果很严重，会导致数据不一致问题。
   要让volatile线程安全，必须保证两点
   （1）对变量的写操作不依赖于当前值
   （2）该变量没有包含在具有其他变量的变式中
   事实上就是保证该变量操作的原子性。

四、volatile变量的特性

1. 保证可见性，不保证原子性
   （1）当写一个变量是，当前线程会将该变量从工作内存强制更新到主内存，保证其他线程实时获取的变量是最新的，保证了可见性。
   （2）这个写操作会导致其他线程中这个变量缓存无效。
2. 禁止指令重排序
   重排序是程序为了更好地性能调度，对指令进行新的排序的一种手段，需要遵守以下规则
   （1）重排序不会对存在数据依赖关系的程序重排序
   （2）重排序是为了优化性能，但无论怎么排序，在单线程下，从排序后的运算结果都不会改变，但是在多线程下重排序则可能会影响结果
   （3）使用volatile能够禁止指令重排序，但要遵守一些规则。
   1）当执行到volatile修饰的变量进行读或者写时，该操作前面的指令都执行完毕，且该操作结果对后面指令可见，而且该操作后面的指令都未执行
   2）当指令优化时，不能将指令放到volatile后面执行，也不能把把volatile后面的语句放到前面执行。

五、volatile不适合的场景

1. volatile不适合复合操作，下面模拟十个线程对num自增，每个线程自增1000，
   比如 num++,不是一个原子性操作，分为读取，加，赋值三个操作，所以结果达不到10000

public class VolatileTest1 {

    private static volatile int num = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            Thread thread = new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                    num++;
                }
            });
            thread.start();
        }
        System.out.println("num=" + num);
    }
}

结果
num=5657
num=4414
num=7491
…(完全随机)

2. 解决办法
   （1）使用synchornized锁住变量所在的类

public class VolatileTest1 {

    public static volatile int num = 0;


    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    for (int j = 0; j < 10000; j++) {
                        synchronized (VolatileTest1.class) {
                            num++;
                        }
                    }
                }
            }).start();
        }
        // 保证线程执行完毕
        while (Thread.activeCount() > 1) {
            Thread.yield();
        }
        System.out.println("num=" + num);
    }
}

结果：
num=100000

（2）使用lock锁住该方法

public class VolatileTest3 {

    public static volatile int num = 0;

    public static Lock lock = new ReentrantLock();


    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    for (int j = 0; j < 10000; j++) {
                        lock.lock();
                        try {
                            num++;
                        }finally {
                            lock.unlock();
                        }
                    }
                }
            }).start();
        }
        // 保证线程执行完毕
        while (Thread.activeCount() > 1) {
            Thread.yield();
        }
        System.out.println("num=" + num);
    }
}

结果：
num=100000

（3）使用并发原子操作类AtomicInteger ，其原理是通过CAS循环的方式来保证原子性

public class VolatileTest5 {

    public static volatile AtomicInteger num = new AtomicInteger(0);


    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    for (int j = 0; j < 10000; j++) {
                        num.getAndIncrement();
                    }
                }
            }).start();
        }
        // 保证线程执行完毕
        while (Thread.activeCount() > 1) {
            Thread.yield();
        }
        System.out.println("num=" + num);
    }
}

结果：
num=100000

六、单例模式的双重检验锁为什么要加volatile

public class InstanceTest{
  private volatile static InstanceTest instance;
  public static InstanceTest getInstance(){   //1
    if(instance == null){   //2
      synchronized(InstanceTest.class){   //3
        if(instance == null){   //4
          instance = new InstanceTest(); //5
        }
      }
    }
    return instance;   //6
  }
}

在并发情况下，如果没有volatile修饰的话，代码中5处会出现问题instance = new InstanceTest();
这个可以分为三步，

a. memory = allocate() //分配内存
b. ctorInstanc(memory) //初始化对象
c. instance = memory   //设置instance指向刚分配的地址

在编译时，指令重排序，不一定按照a->b->c的顺序来执行，可能会是a->c->b，多线程下一个线程在执行完a，马上执行c，设置instance指向刚分配的地址，这个时候另外一个线程刚好到第2步判断，则会出现不为空，直接跳到第6步，而此时并没有初始化，会返回一个未初始化的对象。

七、volatile原理

volatile可以保证线程的可见性并提供一定的有序性，底层采用的是“内存屏障”来实现的，但是不能保证原子性，需要结合lock，synchornized，AtomicInteger 等来实现线程并发安全。
内存屏障会提供三个功能：

1. 他不会把volatile修饰的变量执行的操作的前面的指令方放到后面，当然相反也不会将后面的指令放到前面。（禁止指令重排序）
2. 他会强制将当前修改的变量立即写入主缓存
3. 如果是写操作，他会将其他线程的缓存置为无效

借鉴学习-侵删