摘要：此時(shí)，就出現(xiàn)了線程不安全問(wèn)題了。因?yàn)榈某跏贾禃?huì)是因此，重排序是有可能導(dǎo)致線程安全問(wèn)題的。真的能完全保證一個(gè)變量的線程安全嗎我們通過(guò)上面的講解，發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵字還是挺有用的，不但能夠保證變量的可見(jiàn)性，還能保證代碼的有序性。

對(duì)于volatile這個(gè)關(guān)鍵字，相信很多朋友都聽(tīng)說(shuō)過(guò)，甚至使用過(guò)，這個(gè)關(guān)鍵字雖然字面上理解起來(lái)比較簡(jiǎn)單，但是要用好起來(lái)卻不是一件容易的事。

這篇文章將從多個(gè)方面來(lái)講解volatile，讓你對(duì)它更加理解。

volatile既然是與線程安全有關(guān)的問(wèn)題，那我們先來(lái)了解一下計(jì)算機(jī)在處理數(shù)據(jù)的過(guò)程中為什么會(huì)出現(xiàn)線程不安全的問(wèn)題。

大家都知道，計(jì)算機(jī)在執(zhí)行程序時(shí)，每條指令都是在CPU中執(zhí)行的，而執(zhí)行指令過(guò)程中會(huì)涉及到數(shù)據(jù)的讀取和寫(xiě)入。由于程序運(yùn)行過(guò)程中的臨時(shí)數(shù)據(jù)是存放在主存（物理內(nèi)存）當(dāng)中的，這時(shí)就存在一個(gè)問(wèn)題，由于CPU執(zhí)行速度很快，而從內(nèi)存讀取數(shù)據(jù)和向內(nèi)存寫(xiě)入數(shù)據(jù)的過(guò)程跟CPU執(zhí)行指令的速度比起來(lái)要慢的多，因此如果任何時(shí)候?qū)?shù)據(jù)的操作都要通過(guò)和內(nèi)存的交互來(lái)進(jìn)行，會(huì)大大降低指令執(zhí)行的速度。

為了處理這個(gè)問(wèn)題，在CPU里面就有了高速緩存(Cache)的概念。當(dāng)程序在運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)將運(yùn)算需要的數(shù)據(jù)從主存復(fù)制一份到CPU的高速緩存當(dāng)中，那么CPU進(jìn)行計(jì)算時(shí)就可以直接從它的高速緩存讀取數(shù)據(jù)和向其中寫(xiě)入數(shù)據(jù)，當(dāng)運(yùn)算結(jié)束之后，再將高速緩存中的數(shù)據(jù)刷新到主存當(dāng)中。

我舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，比如cpu在執(zhí)行下面這段代碼的時(shí)候,

t = t + 1;

會(huì)先從高速緩存中查看是否有t的值，如果有，則直接拿來(lái)使用，如果沒(méi)有，則會(huì)從主存中讀取，讀取之后會(huì)復(fù)制一份存放在高速緩存中方便下次使用。之后cup進(jìn)行對(duì)t加1操作，然后把數(shù)據(jù)寫(xiě)入高速緩存，最后會(huì)把高速緩存中的數(shù)據(jù)刷新到主存中。

這一過(guò)程在單線程運(yùn)行是沒(méi)有問(wèn)題的，但是在多線程中運(yùn)行就會(huì)有問(wèn)題了。在多核CPU中，每條線程可能運(yùn)行于不同的CPU中，因此每個(gè)線程運(yùn)行時(shí)有自己的高速緩存（對(duì)單核CPU來(lái)說(shuō)，其實(shí)也會(huì)出現(xiàn)這種問(wèn)題，只不過(guò)是以線程調(diào)度的形式來(lái)分別執(zhí)行的，本次講解以多核cup為主）。這時(shí)就會(huì)出現(xiàn)同一個(gè)變量在兩個(gè)高速緩存中的值不一致問(wèn)題了。

例如：

兩個(gè)線程分別讀取了t的值，假設(shè)此時(shí)t的值為0，并且把t的值存到了各自的高速緩存中，然后線程1對(duì)t進(jìn)行了加1操作，此時(shí)t的值為1，并且把t的值寫(xiě)回到主存中。但是線程2中高速緩存的值還是0，進(jìn)行加1操作之后，t的值還是為1，然后再把t的值寫(xiě)回主存。

此時(shí)，就出現(xiàn)了線程不安全問(wèn)題了。

上面那種線程安全問(wèn)題，可能對(duì)于不同的操作系統(tǒng)會(huì)有不同的處理機(jī)制，例如Windows操作系統(tǒng)和Linux的操作系統(tǒng)的處理方法可能會(huì)不同。

我們都知道，Java是一種夸平臺(tái)的語(yǔ)言，因此Java這種語(yǔ)言在處理線程安全問(wèn)題的時(shí)候，會(huì)有自己的處理機(jī)制，例如volatile關(guān)鍵字，synchronized關(guān)鍵字，并且這種機(jī)制適用于各種平臺(tái)。

Java內(nèi)存模型規(guī)定所有的變量都是存在主存當(dāng)中（類(lèi)似于前面說(shuō)的物理內(nèi)存），每個(gè)線程都有自己的工作內(nèi)存（類(lèi)似于前面的高速緩存）。線程對(duì)變量的所有操作都必須在工作內(nèi)存中進(jìn)行，而不能直接對(duì)主存進(jìn)行操作。并且每個(gè)線程不能訪問(wèn)其他線程的工作內(nèi)存。

由于java中的每個(gè)線程有自己的工作空間，這種工作空間相當(dāng)于上面所說(shuō)的高速緩存，因此多個(gè)線程在處理一個(gè)共享變量的時(shí)候，就會(huì)出現(xiàn)線程安全問(wèn)題。

這里簡(jiǎn)單解釋下共享變量，上面我們所說(shuō)的t就是一個(gè)共享變量，也就是說(shuō)，能夠被多個(gè)線程訪問(wèn)到的變量，我們稱(chēng)之為共享變量。在java中共享變量包括實(shí)例變量，靜態(tài)變量，數(shù)組元素。他們都被存放在堆內(nèi)存中。

上面扯了一大堆，都沒(méi)提到volatile關(guān)鍵字的作用，下面開(kāi)始講解volatile關(guān)鍵字是如何保證線程安全問(wèn)題的。

什么是可見(jiàn)性？

意思就是說(shuō)，在多線程環(huán)境下，某個(gè)共享變量如果被其中一個(gè)線程給修改了，其他線程能夠立即知道這個(gè)共享變量已經(jīng)被修改了，當(dāng)其他線程要讀取這個(gè)變量的時(shí)候，最終會(huì)去內(nèi)存中讀取，而不是從自己的工作空間中讀取

例如我們上面說(shuō)的，當(dāng)線程1對(duì)t進(jìn)行了加1操作并把數(shù)據(jù)寫(xiě)回到主存之后，線程2就會(huì)知道它自己工作空間內(nèi)的t已經(jīng)被修改了，當(dāng)它要執(zhí)行加1操作之后，就會(huì)去主存中讀取。這樣，兩邊的數(shù)據(jù)就能一致了。

假如一個(gè)變量被聲明為volatile，那么這個(gè)變量就具有了可見(jiàn)性的性質(zhì)了。這就是volatile關(guān)鍵的作用之一了。

volatile保證變量可見(jiàn)性的原理

當(dāng)一個(gè)變量被聲明為volatile時(shí)，在編譯成會(huì)變指令的時(shí)候，會(huì)多出下面一行：

0x00bbacde: lock add1 $0x0,(%esp);

這句指令的意思就是在寄存器執(zhí)行一個(gè)加0的空操作。不過(guò)這條指令的前面有一個(gè)lock(鎖)前綴。

當(dāng)處理器在處理?yè)碛衛(wèi)ock前綴的指令時(shí)：

在之前的處理中，lock會(huì)導(dǎo)致傳輸數(shù)據(jù)的總線被鎖定，其他處理器都不能訪問(wèn)總線，從而保證處理lock指令的處理器能夠獨(dú)享操作數(shù)據(jù)所在的內(nèi)存區(qū)域，而不會(huì)被其他處理所干擾。

但由于總線被鎖住，其他處理器都會(huì)被堵住，從而影響了多處理器的執(zhí)行效率。為了解決這個(gè)問(wèn)題，在后來(lái)的處理器中，處理器遇到lock指令時(shí)不會(huì)再鎖住總線，而是會(huì)檢查數(shù)據(jù)所在的內(nèi)存區(qū)域，如果該數(shù)據(jù)是在處理器的內(nèi)部緩存中，則會(huì)鎖定此緩存區(qū)域，處理完后把緩存寫(xiě)回到主存中，并且會(huì)利用緩存一致性協(xié)議來(lái)保證其他處理器中的緩存數(shù)據(jù)的一致性。

緩存一致性協(xié)議

剛才我在說(shuō)可見(jiàn)性的時(shí)候，說(shuō)“如果一個(gè)共享變量被一個(gè)線程修改了之后，當(dāng)其他線程要讀取這個(gè)變量的時(shí)候，最終會(huì)去內(nèi)存中讀取，而不是從自己的工作空間中讀取”，實(shí)際上是這樣的：

線程中的處理器會(huì)一直在總線上嗅探其內(nèi)部緩存中的內(nèi)存地址在其他處理器的操作情況，一旦嗅探到某處處理器打算修改其內(nèi)存地址中的值，而該內(nèi)存地址剛好也在自己的內(nèi)部緩存中，那么處理器就會(huì)強(qiáng)制讓自己對(duì)該緩存地址的無(wú)效。所以當(dāng)該處理器要訪問(wèn)該數(shù)據(jù)的時(shí)候，由于發(fā)現(xiàn)自己緩存的數(shù)據(jù)無(wú)效了，就會(huì)去主存中訪問(wèn)。

實(shí)際上，當(dāng)我們把代碼寫(xiě)好之后，虛擬機(jī)不一定會(huì)按照我們寫(xiě)的代碼的順序來(lái)執(zhí)行。例如對(duì)于下面的兩句代碼：

int a = 1;
int b = 2;

對(duì)于這兩句代碼，你會(huì)發(fā)現(xiàn)無(wú)論是先執(zhí)行a = 1還是執(zhí)行b = 2，都不會(huì)對(duì)a,b最終的值造成影響。所以虛擬機(jī)在編譯的時(shí)候，是有可能把他們進(jìn)行重排序的。

為什么要進(jìn)行重排序呢？

你想啊，假如執(zhí)行 int a = 1這句代碼需要100ms的時(shí)間，但執(zhí)行int b = 2這句代碼需要1ms的時(shí)間，并且先執(zhí)行哪句代碼并不會(huì)對(duì)a,b最終的值造成影響。那當(dāng)然是先執(zhí)行int b = 2這句代碼了。

所以，虛擬機(jī)在進(jìn)行代碼編譯優(yōu)化的時(shí)候，對(duì)于那些改變順序之后不會(huì)對(duì)最終變量的值造成影響的代碼，是有可能將他們進(jìn)行重排序的。

更多代碼編譯優(yōu)化可以看我寫(xiě)的另一篇文章：
虛擬機(jī)在運(yùn)行期對(duì)代碼的優(yōu)化策略

那么重排序之后真的不會(huì)對(duì)代碼造成影響嗎？

實(shí)際上，對(duì)于有些代碼進(jìn)行重排序之后，雖然對(duì)變量的值沒(méi)有造成影響，但有可能會(huì)出現(xiàn)線程安全問(wèn)題的。具體請(qǐng)看下面的代碼

public class NoVisibility{
    private static boolean ready;
    private static int number;
    
    private static class Reader extends Thread{
        public void run(){
        while(!ready){
            Thread.yield();
        }
        System.out.println(number);

    }
}
    public static void main(String[] args){
        new Reader().start();
        number = 42;
        ready = true;
    }
}

這段代碼最終打印的一定是42嗎？如果沒(méi)有重排序的話，打印的確實(shí)會(huì)是42，但如果number = 42和ready = true被進(jìn)行了重排序，顛倒了順序，那么就有可能打印出0了，而不是42。（因?yàn)閚umber的初始值會(huì)是0).

因此，重排序是有可能導(dǎo)致線程安全問(wèn)題的。

如果一個(gè)變量被聲明volatile的話，那么這個(gè)變量不會(huì)被進(jìn)行重排序，也就是說(shuō)，虛擬機(jī)會(huì)保證這個(gè)變量之前的代碼一定會(huì)比它先執(zhí)行，而之后的代碼一定會(huì)比它慢執(zhí)行。

例如把上面中的number聲明為volatile，那么number = 42一定會(huì)比ready = true先執(zhí)行。

不過(guò)這里需要注意的是，虛擬機(jī)只是保證這個(gè)變量之前的代碼一定比它先執(zhí)行，但并沒(méi)有保證這個(gè)變量之前的代碼不可以重排序。之后的也一樣。

volatile關(guān)鍵字能夠保證代碼的有序性，這個(gè)也是volatile關(guān)鍵字的作用。

總結(jié)一下，一個(gè)被volatile聲明的變量主要有以下兩種特性保證保證線程安全。

可見(jiàn)性。

有序性。

我們通過(guò)上面的講解，發(fā)現(xiàn)volatile關(guān)鍵字還是挺有用的，不但能夠保證變量的可見(jiàn)性，還能保證代碼的有序性。

那么，它真的能夠保證一個(gè)變量在多線程環(huán)境下都能被正確的使用嗎？

答案是否定的。原因是因?yàn)镴ava里面的運(yùn)算并非是原子操作。

原子操作

原子操作：即一個(gè)操作或者多個(gè)操作 要么全部執(zhí)行并且執(zhí)行的過(guò)程不會(huì)被任何因素打斷，要么就都不執(zhí)行。

也就是說(shuō)，處理器要嘛把這組操作全部執(zhí)行完，中間不允許被其他操作所打斷，要嘛這組操作不要執(zhí)行。

剛才說(shuō)Java里面的運(yùn)行并非是原子操作。我舉個(gè)例子，例如這句代碼

int a = b + 1;

處理器在處理代碼的時(shí)候，需要處理以下三個(gè)操作：

從內(nèi)存中讀取b的值。

進(jìn)行a = b + 1這個(gè)運(yùn)算

把a(bǔ)的值寫(xiě)回到內(nèi)存中

而這三個(gè)操作處理器是不一定就會(huì)連續(xù)執(zhí)行的，有可能執(zhí)行了第一個(gè)操作之后，處理器就跑去執(zhí)行別的操作的。

證明volatile無(wú)法保證線程安全的例子

由于Java中的運(yùn)算并非是原子操作，所以導(dǎo)致volatile聲明的變量無(wú)法保證線程安全。

對(duì)于這句話，我給大家舉個(gè)例子。代碼如下:

public class Test{
    public static volatile int t = 0;
    
    public static void main(String[] args){
    
        Thread[] threads = new Thread[10];
        for(int i = 0; i < 10; i++){
            //每個(gè)線程對(duì)t進(jìn)行1000次加1的操作
            threads[i] new Thread(new Runnable(){
                @Override
                public void run(){
                    for(int j = 0; j < 1000; j++){
                        t = t + 1;
                    }
                }
            });
            threads[i].start();
        }
        
        //等待所有累加線程都結(jié)束
        while(Thread.activeCount() > 1){
            Thread.yield();
        }
        
        //打印t的值
        System.out.println(t);
    }
}

最終的打印結(jié)果會(huì)是1000 * 10 = 10000嗎？答案是否定的。

問(wèn)題就出現(xiàn)在t = t + 1這句代碼中。我們來(lái)分析一下

例如：

線程1讀取了t的值，假如t = 0。之后線程2讀取了t的值，此時(shí)t = 0。

然后線程1執(zhí)行了加1的操作，此時(shí)t = 1。但是這個(gè)時(shí)候，處理器還沒(méi)有把t = 1的值寫(xiě)回主存中。這個(gè)時(shí)候處理器跑去執(zhí)行線程2，注意，剛才線程2已經(jīng)讀取了t的值，所以這個(gè)時(shí)候并不會(huì)再去讀取t的值了，所以此時(shí)t的值還是0，然后線程2執(zhí)行了對(duì)t的加1操作，此時(shí)t =1 。

這個(gè)時(shí)候，就出現(xiàn)了線程安全問(wèn)題了，兩個(gè)線程都對(duì)t執(zhí)行了加1操作，但t的值卻是1。所以說(shuō)，volatile關(guān)鍵字并不一定能夠保證變量的安全性。

剛才雖然說(shuō)，volatile關(guān)鍵字不一定能夠保證線程安全的問(wèn)題，其實(shí)，在大多數(shù)情況下volatile還是可以保證變量的線程安全問(wèn)題的。所以，在滿(mǎn)足以下兩個(gè)條件的情況下，volatile就能保證變量的線程安全問(wèn)題：

運(yùn)算結(jié)果并不依賴(lài)變量的當(dāng)前值，或者能夠確保只有單一的線程修改變量的值。

變量不需要與其他狀態(tài)變量共同參與不變約束。

講到這里，關(guān)于volatile關(guān)鍵字的就算講完了。如果有哪里講的不對(duì)的地方，非常歡迎你的指點(diǎn)。下篇應(yīng)該會(huì)講synchronize關(guān)鍵字。

完

參考書(shū)籍：

深入理解Java虛擬機(jī)(JVM高級(jí)特性與最佳實(shí)踐)。

Java并非編程實(shí)戰(zhàn)

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