java併發之volatile關鍵字

mpsky發表於2021-09-09

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中用做修飾物件變數。它不是Java特有，在C，C++，C#等程式語言也存在，只是在其它程式語言中使用有所差異，但總體語義一致。比如使用volatile 能阻止編譯器對變數的讀寫優化。簡單說，如果一個變數被修飾為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，快取）我。

Happens-before

規範上，Java記憶體模型遵行happens-before。

volatile變數在多執行緒中，寫執行緒和讀執行緒具有happens-before關係。也就是寫值的執行緒要在讀取執行緒之前，並且讀執行緒能完全看見寫執行緒的相關變數。

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

多執行緒環境下counter變數的更新過程。執行緒1先從主存拷貝副本到CPU快取，然後CPU執行counter=7，修改完後寫入CPU快取，等待時機同步到主存。線上程1同步主存前，執行緒2讀到counter值依然為0。此時已經發生記憶體一致性錯誤（對於相同的共享資料，多執行緒讀到檢視不一致）。因為執行緒2看不見執行緒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;
}

因為多了快取優化導致，導致可見性問題。所以volatile通過消除快取（描述可能不太準確）來避免。例如當使用volatile修飾變數後，操作該變數讀寫直接與主存互動，跳過快取層，保證其它讀執行緒每次獲取的都是最新值。

    public volatile int counter = 0;

volatile

volatile 不單隻消除修飾的變數的快取。事實上與之相關的變數在讀寫時也會消除快取，如同使用了volatile一樣。

如下 years，months，days 三個變數中只有days是volatile，但是對years，months讀寫操作也和days時也會跳過快取，其它執行緒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。

一個寫執行緒呼叫 update，讀執行緒呼叫totalDays。單執行緒中，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。

多執行緒中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變數，所以rc獲取的years，months也是最新值。

happens-before

我們知道出於效能原因，JVM和CPU會對程式中的指令進行重新排序。如果update方法裡面wa和wb順序被重排，那它們的happens-before關係將不在成立。

happens-before

為了避免這個問題，volatile對重排序做了保證 對於發生在volatile變數操作前的其他變數的操作不能重新排序。

由此我們得到volatile通過消除快取和防止重排保證執行緒的可見性。

volatile保證執行緒安全？

討論執行緒安全，大家都會提及原子性，順序性，可見性。volatile側重於保證可見性，也就是當寫的執行緒更新後，讀執行緒總能獲得最新值。在只有一個執行緒寫，多個執行緒讀的場景下，volatile能滿足執行緒安全。可如果多個執行緒同時寫入volatile變數時，則需要引入同步語義才能保證執行緒安全。

模擬10個執行緒同時寫入volatile變數，一個執行緒讀counter，執行完後正確結果應該是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。

錯誤結果