Java并发编程之关键字volatile的深入解析_java

前言

volatile是研究Java并发编程绕不过去的一个关键字，先说结论：

volatile的作用：

        1.保证被修饰变量的可见性

        2.保证程序一定程度上的有序性

        3.不能保证原子性

下面，我们将从理论以及实际的案例来逐个解析上面的三个结论

一、可见性

 什么是可见性？

举个例子，小明和小红去看电影，刚开始两个人都还没买电影票，小红就先去买了两张电影票，没有告诉小明。小明以为小红没买，所以也去买了两张电影票，因为他们只有两个人，所以他们只能用两张票，这就是小明和小红他俩电影票的数量的可见性。

在讲解之前，我们简单的了解一下JVM当中运行时数据区的结构

堆内存：存放的就是对象，所以它也是JVM当中内存最大的一区域

线程私有区：线程中的栈会去从堆当中获取变量的值来进行操作，正是因为是私有化的，所以两个线程之间的数据是不会共享的

元空间：存放静态变量以及常量还有被虚拟机加载的类信息

同理，我们可以将小明和小红看作java当中的两个线程1和2，共有一个变量

public class volatileTest {
    public static boolean flag = false;
 
    public static void main(String[] args) {
        try {
            new Thread(() -> {
                System.out.println("线程1开始");
                //线程1当中取反值，当flag为true时才会跳出循环
                while (!flag) {
                }
                System.out.println("线程1结束");
            }).start();
            Thread.sleep(100);
            new Thread(() -> {
                System.out.println("线程2开始");
                //线程2给flag赋值
                flag = true;
                System.out.println("线程2结束");
            }).start();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

该代码的运行结果如下：

可以很清楚的看到，只有线程2是跑完了的，但是明明线程2已经给flag赋值，线程1并没有停止循环，这就是flag这个变量没有可见性，导致线程1一直不停止

解决的方法有两种

第一：让每个线程空余时间就去堆同步数据（显然不合理）

第二：使用volatile关键字去修饰变量flag

让我们加上volatile试试：

这回线程1总算是成功停止了，由此我们可得，volatile是可以让变量具有可见性的。

学习编程不能只知道如何去使用，而是要知道原理，这样才会有更多的薪资

那么volatile的底层是如何实现的呢？

如上面jvm运行数据区的图所示，所有的变量都是存在了堆当中，而每个线程都是拿到他们的副本进行计算和修改，volatile干了啥事呢，如下图所示

这里我们介绍一个新的概念，叫总线（各位可以把它理解成进行连接线程和堆内存，在计算机的硬件当中，也是有总线的，了解的朋友可以把它用相同概念理解一下）。

当一个被volatile修饰的变量，在某一个线程当中被修改时，总线会监听到这个变动，并且会让其他线程中的这个变量失效，简而言之，当线程2当中堆flag进行了修改，则会导致线程1当中的flag失效，就是把这个线程1当中的flag删了。当线程1中没有flag了，它会重新去获取flag，这个时候，就会使我们的变量flag具有了可见性。

现在我们已经知道了，volatile的实行原理，那么它的底层是如何实现的？

众所周知，java语言加载时  -> class  ->汇编语言 -> 机器语言，因为volatile是个关键字，所以它的底层是一种汇编语法，被volatile修饰的变量其实就是给它加了个一个lock前缀指令。

也就是说，当面试官问到我们，如何手写一个volatile时，我们可以说在编译的层面，添加一个lock前缀指令相当于一个内存屏障，它本身会提供三个功能

        1）它会强制堆缓存的修改操作立即写入主存

        2）如果是写操作，它会导致其他CPU中对应的缓存行无效

        3）它会确保指令重排序时不会吧其它的指令排到内存屏障之前的位置，也不会之前的操作拍到内存屏障之后

前面两点很好理解，并且我们也进行了进一步的认证，第三点可能有朋友不太明白，这就引出了我们下一个论点，volatile可以保证一定的有序性

二、有序性

我们看下面三行代码

int i=1;
int j=2;
i =i++;

在我们的理解当中，程序时自上而下运行的，先是第一行，再是第二行等，然而事实上，jvm可能会对代码进行重排序，比如它可能就会让上面的这三行代码变成下面的状态

int i=1;        
i =i++;
int j =2;

为什么会进行重排序，目的是让代码执行的速度更快，当然它也不是随便乱排的，排序的规则是根据代码的依赖性进行的判断，简而言之就是在不影响结果的情况下进行排序，感兴趣的朋友可以自行去了解一下

这是java本身对程序保证的有序性，在不影响运行结果的情况下进行重排序，但是仅限于单线程的情况下，在多线程的情况中，并不能有效地保证程序的有序性

下图为手写的一个单例模式，不做过多的赘述，左边为代码，右边为翻译的字节码文件

通过上图可以很清晰的看出，new OnlyObject这个操作重点分为了四步，

                第一步：创建这个对象

                第二步：调用这个类的构造方法

                第三步：添加指向（就是从私有线程当中执行堆）

                第四步：加载

由于java对程序的重排序，会使第二步和第三步进行调换位置，在单线程当中不会有任何问题，而在多线程当中就有问题了

看下图代码

当线程1已经完成添加指向时，在堆当中其实已经分配了一个值，但是这时并没有调用构造方法，所以导致此时这个对象只是一个半成品对象 ，里面并不是我们想要的值。这时线程2走进来，他发现object并不为空，所以直接返回了，此时的程序跟我们的业务并不相符，所以我们需要使用volatile来保证我们的有序性。

总结