java併發之volatile關鍵字
Java面試中經常會涉及關於volatile的問題。本文梳理下volatile關鍵知識點。
volatile字意為“易失性”，在Java中用做修飾對象變量。它不是Java特有，在C，C++，C#等編程語言也存在，只是在其它編程語言中使用有所差異，但總體語義一致。比如使用volatile 能阻止編譯器對變量的讀寫優化。簡單說，如果一個變量被修飾為volatile，相當於告訴系統說我容易變化，編譯器你不要隨便優化（重排序，緩存）我。
Happens-before
規範上，Java內存模型遵行happens-before。
volatile變量在多線程中，寫線程和讀線程具有happens-before關係。也就是寫值的線程要在讀取線程之前，並且讀線程能完全看見寫線程的相關變量。
happens-before：如果兩個有兩個動作AB，A發生在B之前，那麼A的順序應該在B前面並且A的操作對B完全可見。
happens-before 具有傳遞性，如果A發生在B之前，而B發生在C之前，那麼A發生在C之前。
如何保證可見性
多線程環境下counter變量的更新過程。線程1先從主存拷貝副本到CPU緩存，然後CPU執行counter=7，修改完后寫入CPU緩存，等待時機同步到主存。在線程1同步主存前，線程2讀到counter值依然為0。此時已經發生內存一致性錯誤（對於相同的共享數據，多線程讀到視圖不一致）。因為線程2看不見線程1操作結果，也將這個問題稱為可見性問題。
public class SharedObject {
public int counter = 0;
}
因為多了緩存優化導致，導致可見性問題。所以volatile通過消除緩存（描述可能不太準確）來避免。例如當使用volatile修飾變量后，操作該變量讀寫直接與主存交互，跳過緩存層，保證其它讀線程每次獲取的都是最新值。
public volatile int counter = 0;
volatile 不單隻消除修飾的變量的緩存。事實上與之相關的變量在讀寫時也會消除緩存，如同使用了volatile一樣。
如下 years，months，days 三個變量中只有days是volatile，但是對years，months讀寫操作也和days時也會跳過緩存，其它線程每次讀到的都是最新值。
public class MyClass {
private int years;
private int months
private volatile int days;
public int totalDays() {
int total = this.days;
total += months * 30;
total += years * 365;
return total;
}
public void update(int years, int months, int days){
this.years = years;
this.months = months;
this.days = days;
}
}
這是為什麼？我們分析一下。
一個寫線程調用 update，讀線程調用totalDays。單線程中，對於update方法，wa與wb存在happens-before關係， wa在 wb 之前執行並對wb可見。
多線程中rc與wb存在happens-before關係，wb在rc之前執行並對rc可見。根據 happens-before傳遞性，wa需要在rc前先執行並對rc可見。
因為wb是volatile變量，所以rc獲取的years，months也是最新值。
我們知道出於性能原因，JVM和CPU會對程序中的指令進行重新排序。如果update方法裏面wa和wb順序被重排，那它們的happens-before關係將不在成立。
為了避免這個問題，volatile對重排序做了保證 對於發生在volatile變量操作前的其他變量的操作不能重新排序。
由此我們得到volatile通過消除緩存和防止重排保證線程的可見性。
volatile保證線程安全？
討論線程安全，大家都會提及原子性，順序性，可見性。volatile側重於保證可見性，也就是當寫的線程更新后，讀線程總能獲得最新值。在只有一個線程寫，多個線程讀的場景下，volatile能滿足線程安全。可如果多個線程同時寫入volatile變量時，則需要引入同步語義才能保證線程安全。
模擬10個線程同時寫入volatile變量，一個線程讀counter，執行完后正確結果應該是counter=10。
public static class WriterTask implements Runnable {
private final ShareObject share;
private final CountDownLatch countDownLatch;
public WriterTask(ShareObject share, CountDownLatch countDownLatch) {
this.share = share;
this.countDownLatch = countDownLatch;
}
@Override
public void run() {
countDownLatch.countDown();
share.increase();
}
}
public class ShareObject {
private volatile int counter;
public void increase() {
this.counter++;
}
}
執行結果出現counter=5或6 錯誤結果。
通過 synchronized，Lock或AtomicInteger 原子變量保證了結果的正確。
完整demo https://gist.github.com/onlythinking/ba7ca7aa5faf00a58f4cedae474fa6f6
volatile性能
volatile變量帶來可見性的保證，訪問volatile變量還防止了指令重排序。不過這一切是以犧牲優化（消除緩存，直接操作主存開銷增加）為代價，所以不應該濫用volatile，僅在確實需要增強變量可見性的時候使用。
總結
本文記錄了volatile變量通過消除緩存，防止指令重排序來保證線程可見性，並且在多線程寫入的變量的場景下，不保證線程安全。
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