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深入Volatile

article 2024/10/2 16:00:23

深入Volatile

1、变量不可见性：

1.1多线程下变量的不可见性

直接上代码

/**
 * @author yourkin666
 * @date 2024/08/12/16:12
 * @description
 */
public class h1 {
    public static void main(String[] args) {
        MyClass myClass = new MyClass();
        myClass.start();

        while (true) {
            if (myClass.isFlag()) {
                System.out.println("circle!!!");
            }
        }
    }

}
class MyClass extends Thread{
    private boolean flag = false;
    @Override
    public void run() {
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
        flag = true;
        System.out.println("flag = "+ flag);
    }

    public boolean isFlag() {
        return flag;
    }

    public void setFlag(boolean flag) {
        this.flag = flag;
    }
}

子线程从主内存中读取数据放到工作内存，将flag修改为true，但是此时flag的值还没有写回主内存，所以主线程读取的flag依然是false

当子线程将flag值写回主内存后，main函数里面的while（true）调用的是系统比较底层的代码，速度较快，没时间再去主存中读取flag

所以while（true）读取到的值一直是false（当然主线程可能在一个时刻去主内存读取最新的值，我们无法控制）

1.2变量不可见性内存语义

JMM（java内存模型）是针对于Java并发编程的模型

JMM规范：

所有共享变量（实例变量和类变量）都存在于主内存，不包含局部变量，因为局部变量是线程私有
每一个线程都还有自己的工作内存，在工作内存中，保存了一份共享变量的副本
线程对变量的所有操作都在工作内存中完成
不同线程的工作内存是隔离的

可见性问题的原因：

所有共享变量都存在于主内存，每个线程都有自己的工作内存，而且线程读写共享数据也是通过本地内存交换的，所以导致了可见性问题

1.3变量不可见行的解决方案

第一种是加锁

第二种是使用volatile关键字

加锁：

while (true) {
            synchronized (myClass) {
            if (myClass.isFlag()) {
                System.out.println("circle!!!");
            }
       }
}

线程进入synchronized代码块前后的执行过程：

线程获得锁
清空工作内存
从主内存拷贝共享变量的最新值
执行代码块
将修改后的副本的值刷新回主内存中
线程释放锁

volatile关键字:

    private volatile boolean flag = false;

工作原理：

子线程从主内存读取数据放在工作内存，修改flag值后，还没有写回主内存
此时主线程读取到了flag值为false
当子线程将flag写回主线程后，就失效工作内存中的拷贝值
再次对flag进行操作时，线程会从主内存读取最新值，放入工作内存

volatile关键字保证不同线程对共享变量操作的可见性，也就是一个线程修改了volatile修饰的变量，当此变量写回主内存后，其他线程可以立即看到最新值

volatile修饰的变量可以在多线程并发修改下，实现线程间变量的可见性

2、volatile其他特性：

1.volatile不保证原子性

/**
 * @author yourkin666
 * @date 2024/08/12/16:12
 * @description
 */
public class h1 {
    public static void main(String[] args) {
        Runnable myClass = new MyClass();
        for (int i = 1; i <= 100 ; i++) {
            new Thread(myClass).start();
        }

    }
}
class MyClass implements Runnable{
    private volatile int count = 0;
    @Override
    public void run() {
      for (int i = 1; i <= 10000; i++) {
          count++;
          System.out.println("count >>>>" + count);
      }
    }
}

count++是非原子操作，起码可以被分为三步

在多线程环境下，volatile修饰的变量也是线程不安全的

要保证数据的安全性，还得是锁，或者原子类

原子类：

java.util.concurrent.atomic（Atomic包）

这个包中的原子操作类提供一种用法简单、性能高效、线程安全地更新一个变量的方式

AtomicInteger：

原子型Integer ，可以实现原子更新操作：

public AtomicInter()
初始化一个默认值为0的原子型Integet    
public AtomicInter(int initialValue)
初始化一个指定值的原子型Integet
int get()
获取值    
int getAndIncrement() 
以原子方式将当前值加1，返回自增前的值
int incrementAndget() 
以原子方式将当前值加1，返回自增后的值
int addAndGet(int data)
以原子方式将输入的值与AtomicInteger里的value相加，并返回结果
int getAndSet(int value)
以原子方式设置newValue的值，并返回旧值

2.禁止指令重排序

为了提升程序的运行效率，编译器和处理器常常对指令进行重排序

使用volatile可以禁止指令重排序，从而修正重排序可能带来的并发安全问题

3、volatile内存语义：

volatile写读建立的happens - before关系：

从JDK5开始，提出happens - before概念，来阐述操作之间的内存可见性。

如果一个操作的结果需要对另一个操作可见，那么这两个操作之间必须存在happens - before关系。（这里提到的两个操作既可以是在一个线程中，也可以是不同线程之间

happens - before规则：

单线程规则

同一个线程中，前面的所有写操作对后面的操作可见
锁规则（synchronized、Lock等）

如果线程1解锁了monitor A ，接着线程2锁定了A，那么，线程1解锁A之前的写操作都对线程2可见
volatile变量规则

如果线程1写入volatile变量v（临界资源），接着线程2读取了v，那么，线程1写入v及之前的写操作都是对线程2可见的
传递性

A对B可见，B对C可见，那么A对C可见
start()规则

假设线程A在执行过程中，通过执行ThreadB.start()来启动线程B，那么线程A在线程B执行前对共享变量的修改，是对线程B可见（线程B启动后的，线程A对变量的修改，线程B就未必看得到了
join()规则

线程t1写入的所有变量，在任意其他线程t2调用t1.join()，或者t1.isAlive()成功返回后，都对t2可见