本文共 3079 字，大约阅读时间需要 10 分钟。

《Java并发编程实践：深入解析volatile关键字》

1. 导言

Java中的volatile关键字用于多线程编程，用于修饰一变量，使其在简单实现synchronized的效果。虽然初始解释较为简单，但volatile与synchronized的区别及使用细节对多线程开发至关重要。本文将详细解析volatile的实现原理及其在多线程环境中的应用。

2. CPU缓存机制与多线程下的数据不一致

在单线程环境中，CPU高速缓存与内存的数据传递过程是无缝的。然而，在多线程环境中，每个线程都有其自己的CPU和高速缓存。这种情况下，多个线程对同一变量进行操作时可能导致数据不一致。

以一条简单的语句x = x + 1为例，数据流转过程如下：

在多线程环境下，若线程1在执行完第二步而线程2立即读取内存中的x，得到的可能仍为旧值。最终结果无法满足预期，可能仅增加一次，使得x的值小于预期。

3. 多线程编程中的三个核心概念

在并发编程中，系统需要满足以下三大性质：

3.1 原子性

原子性要求所有操作要么全部执行完，要么全部打住。某些操作（如基本数据类型的加法）在Java中是原子操作，这意味着不会因线程调度而被打断。但复杂操作可能需要额外保护，如synchronized或Lock。

3.2 有序性与指令重排序

代码执行的顺序决定了结果的有效性。为了优化性能，系统可能会对代码进行重排序。然而，重排序可能导致结果不依赖依赖关系的改变，破坏有序性。例如，以下代码可能因为重排序而导致错误：

a = a + 1; // 依赖于a的初始值b = a + a;  // 取决于a的值b = b + a;  // 再次利用a的值

在多线程环境中，重排序问题更为严重。如下代码：

innited = false; // 线程1操作 doSomething(); // 线程2马上执行

因为inited和doSomething()无关，线程2可能直接执行，而忽略线程1的准备工作。

3.3 可见性

可见性要求所有线程在某一时刻知晓shared variable的变化。

占用解决方案

4. Java内存模型

Java内存模型规定主存是唯一管理中存储的介质，每个线程拥有一自己的工作内存。变量只能在工作内存中进行计算后，再写回主存。线程不可直接访问其他线程的工作内存，主存是所有线程的唯一共享资源。

下图展示了Java内存的结构：

主存 <-线程1-> 工作内存 <-	cpu <- 寄存器 <-cache <- CPU     |                               |   |               |                     |                               |   |               |                     |                               |   |               |                     |                               |   |               |                     |                               |                               |                     --------------------------读写 occurs here -------------------------

4.1 原子性支持

Java内存模型支持对基本数据类型变量的原子操作。这是指一个线程读取并修改变量时，其他线程无法读取或修改同一变量的中间值。例如：

x = x + 1;x++; // 这两步不是原子操作

上述代码并非原子操作，因为在完成x = x + 1后，x可能已经被另一个线程读取到新的值。

4.2 可见性支持

volatile变量的修改会立即同步至主存，其他线程的读取操作只能从主存获取数据。因此，volatile保证了可见性。但是，这种同步给性能带来了影响。

5. volatile关键字的作用与限制

5.1 volatile的可见性

volatile变量的修改会立即写入主存，使得其它线程能够及时获取最新值。这避免了多线程环境下的缓存一致性问题。

5.2 volatile不保证原子性

例如，对int i = 0;进行自增操作，可能执行以下步骤：

如果在第2步后另一个线程读取内存，此时i可能已被修改为1，但读取到的值可能还是原来的。这样，同一语句可能只执行一次，导致结果错误。

5.3 综合分析

为了确保原子性和可见性，可以采用以下方式：

下面的示例显示了volatile和线程安全的区别：

public class VolatileTest {    public volatile int inc = 0;     public void increase() {        inc++;    }    public static void main(String[] args) {        final VolatileTest test = new VolatileTest();        Lock lock = new ReentrantLock();        for(int i = 0; i < 100; i++){            new Thread(() -> {                for(int j = 0; j < 10000; j++) {                    try {                        lock.lock();                        test.increase();                        System.out.println(test.inc);                    } finally {                        lock.unlock();                    }                }            }, "线程" + i).start();        }    }}

与使用synchronized或Lock结合使用的版本相比，volatile只能确保可见性，而不能保证原子性。

这篇文章实际上深入探讨了volatile的实现原理、与多线程编程的关系，并结合实际案例分析了其设计决策和局限性。

转载地址：http://ueupz.baihongyu.com/