Java中Volatile的作用實例解析

Java 語言中的 volatile 變量可以被看作是一種 “程度較輕的 synchronized”；與 synchronized 塊相比，volatile 變量所需的編碼較少，并且運行時開銷也較少，但是它所能實現的功能也僅是 synchronized 的一部分。

鎖

鎖提供了兩種主要特性：互斥（mutual exclusion） 和可見性（visibility）。

• 互斥即一次只允許一個線程持有某個特定的鎖，因此可使用該特性實現對共享數據的協調訪問協議，這樣，一次就只有一個線程能夠使用該共享數據。
• 可見性要更加復雜一些，它必須確保釋放鎖之前對共享數據做出的更改對于隨后獲得該鎖的另一個線程是可見的 —— 如果沒有同步機制提供的這種可見性保證，線程看到的共享變量可能是修改前的值或不一致的值，這將引發許多嚴重問題。
  

Volatile變量

volatile 變量具有 synchronized 的可見性特性，但是不具備原子特性。這就是說線程能夠自動發現 volatile 變量的最新值。

Volatile 變量可用于提供線程安全，但是只能應用于非常有限的一組用例：多個變量之間或者某個變量的當前值與修改后值之間沒有約束。因此，單獨使用 volatile 還不足以實現計數器、互斥鎖或任何具有與多個變量相關的不變式（Invariants）的類（例如 “start <=end”）。

出于簡易性或可伸縮性的考慮，您可能傾向于使用 volatile 變量而不是鎖。當使用 volatile 變量而非鎖時，某些習慣用法（idiom）更加易于編碼和閱讀。此外，volatile 變量不會像鎖那樣造成線程阻塞，因此也很少造成可伸縮性問題。在某些情況下，如果讀操作遠遠大于寫操作，volatile 變量還可以提供優于鎖的性能優勢。

正確使用 volatile 變量的條件

您只能在有限的一些情形下使用 volatile 變量替代鎖。要使 volatile 變量提供理想的線程安全，必須同時滿足下面兩個條件：
對變量的寫操作不依賴于當前值。

該變量沒有包含在具有其他變量的不變式中。

實際上，這些條件表明，可以被寫入 volatile 變量的這些有效值獨立于任何程序的狀態，包括變量的當前狀態。

第一個條件的限制使 volatile 變量不能用作線程安全計數器。雖然增量操作（x++）看上去類似一個單獨操作，實際上它是一個由讀取－修改－寫入操作序列組成的組合操作，必須以原子方式執行，而 volatile 不能提供必須的原子特性。實現正確的操作需要使 x 的值在操作期間保持不變，而 volatile 變量無法實現這點。（然而，如果將值調整為只從單個線程寫入，那么可以忽略第一個條件。）

大多數編程情形都會與這兩個條件的其中之一沖突，使得 volatile 變量不能像 synchronized 那樣普遍適用于實現線程安全。清單 1 顯示了一個非線程安全的數值范圍類。它包含了一個不變式 —— 下界總是小于或等于上界。

舉例

下面看一個例子，我們實現一個計數器，每次線程啟動的時候，會調用計數器inc方法，對計數器進行加一
執行環境——jdk版本：jdk1.6.0_31 ，內存 ：3G cpu：x86 2.4G

public class Counter { 

 public static int count = 0; 

 public static void inc() { 

  //這里延遲1毫秒，使得結果明顯 
  try { 
   Thread.sleep(1); 
  } catch (InterruptedException e) { 
  } 

  count++; 
 } 

 public static void main(String[] args) { 

  //同時啟動1000個線程，去進行i++計算，看看實際結果 

  for (int i = 0; i < 1000; i++) { 
   new Thread(new Runnable() { 
    @Override
    public void run() { 
     Counter.inc(); 
    } 
   }).start(); 
  } 

  //這里每次運行的值都有可能不同,可能為1000 
  System.out.println("運行結果:Counter.count=" + Counter.count); 
 } 
}

運行結果:Counter.count=995

實際運算結果每次可能都不一樣，本機的結果為：運行結果:Counter.count=995，可以看出，在多線程的環境下，Counter.count并沒有期望結果是1000

很多人以為，這個是多線程并發問題，只需要在變量count之前加上volatile就可以避免這個問題，那我們在修改代碼看看，看看結果是不是符合我們的期望

public class Counter { 

 public volatile static int count = 0; 

 public static void inc() { 

  //這里延遲1毫秒，使得結果明顯 
  try { 
   Thread.sleep(1); 
  } catch (InterruptedException e) { 
  } 

  count++; 
 } 

 public static void main(String[] args) { 

  //同時啟動1000個線程，去進行i++計算，看看實際結果 

  for (int i = 0; i < 1000; i++) { 
   new Thread(new Runnable() { 
    @Override
    public void run() { 
     Counter.inc(); 
    } 
   }).start(); 
  } 

  //這里每次運行的值都有可能不同,可能為1000 
  System.out.println("運行結果:Counter.count=" + Counter.count); 
 } 
}

運行結果:Counter.count=992

運行結果還是沒有我們期望的1000，下面我們分析一下原因

在 java 垃圾回收整理一文中，描述了jvm運行時刻內存的分配。其中有一個內存區域是jvm虛擬機棧，每一個線程運行時都有一個線程棧，線程棧保存了線程運行時候變量值信息。當線程訪問某一個對象時候值的時候，首先通過對象的引用找到對應在堆內存的變量的值，然后把堆內存變量的具體值load到線程本地內存中，建立一個變量副本，之后線程就不再和對象在堆內存變量值有任何關系，而是直接修改副本變量的值，在修改完之后的某一個時刻（線程退出之前），自動把線程變量副本的值回寫到對象在堆中變量。這樣在堆中的對象的值就產生變化了。下面一幅圖描述這寫交互

ead and load 從主存復制變量到當前工作內存

use and assign 執行代碼，改變共享變量值

store and write 用工作內存數據刷新主存相關內容

其中use and assign 可以多次出現

但是這一些操作并不是原子性，也就是 在read load之后，如果主內存count變量發生修改之后，線程工作內存中的值由于已經加載，不會產生對應的變化，所以計算出來的結果會和預期不一樣

對于volatile修飾的變量，jvm虛擬機只是保證從主內存加載到線程工作內存的值是最新的

例如假如線程1，線程2 在進行read,load 操作中，發現主內存中count的值都是5，那么都會加載這個最新的值

在線程1堆count進行修改之后，會write到主內存中，主內存中的count變量就會變為6

線程2由于已經進行read,load操作，在進行運算之后，也會更新主內存count的變量值為6

導致兩個線程及時用volatile關鍵字修改之后，還是會存在并發的情況。