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1. volatile
1.1?volatile關(guān)鍵字的作用
1.1.1?變量可見(jiàn)性
1.1.2?禁止指令重排序
1.2 volatile可見(jiàn)性案例
1.3 volatile非原子性案例
1.4 volatile 禁止重排序
1.5 volatile 日常使用場(chǎng)景
送書(shū)活動(dòng)
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1. volatile
在并發(fā)編程中，多線程操作共享的變量時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致線程安全問(wèn)題，如數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)、可見(jiàn)性問(wèn)題等。為了解決這些問(wèn)題，Java提供了JUC（java.util.concurrent）工具包，其中包含了很多用于處理并發(fā)編程的工具類(lèi)和接口。在JUC中，volatile是一個(gè)關(guān)鍵字，它可以用于修飾變量，用來(lái)確保變量的可見(jiàn)性和禁止指令重排序，從而在一定程度上解決線程安全問(wèn)題。
1.1?volatile關(guān)鍵字的作用
1.1.1?變量可見(jiàn)性
在多線程環(huán)境下，如果一個(gè)線程修改了共享變量的值，其他線程可能由于線程間的數(shù)據(jù)不一致性而看不到該變量的最新值。這種問(wèn)題稱(chēng)為“變量不可見(jiàn)性”或“可見(jiàn)性問(wèn)題”。
volatile關(guān)鍵字可以確保被修飾的變量對(duì)所有線程可見(jiàn)。當(dāng)一個(gè)線程修改了volatile變量的值，其他線程立即能夠看到修改后的最新值，而不會(huì)使用緩存中的舊值。
1.1.2?禁止指令重排序
在JVM（Java虛擬機(jī)）中，為了優(yōu)化性能，編譯器和處理器可能會(huì)對(duì)指令進(jìn)行重排序。在單線程環(huán)境下，這種重排序不會(huì)影響程序的執(zhí)行結(jié)果。然而，在多線程環(huán)境下，指令重排序可能會(huì)導(dǎo)致線程安全問(wèn)題。
volatile關(guān)鍵字可以防止指令重排序，確保被修飾的變量按照代碼中的順序執(zhí)行。
1.2 volatile可見(jiàn)性案例
public class VolatileExample {
private static volatile boolean flag = false;
public static void main(String[] args) {
new Thread(() -> {
while (!flag) {
System.out.println("Waiting for the flag to be true...");
}
System.out.println("Flag is now true. Exiting the thread.");
}).start();
try {
Thread.sleep(1000); // 確保主線程在子線程之前執(zhí)行
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("Setting the flag to true...");
flag = true;
}
}
在上面的示例中，我們創(chuàng)建了一個(gè)VolatileExample類(lèi)，并聲明了一個(gè)volatile類(lèi)型的flag變量。在主線程中，我們啟動(dòng)一個(gè)新的子線程，該子線程會(huì)不斷地檢查flag變量的值，直到flag變?yōu)?code>true時(shí)，子線程退出。
在主線程中，我們將flag變量設(shè)置為true。由于flag變量被聲明為volatile類(lèi)型，子線程能夠及時(shí)看到flag的最新值，從而退出循環(huán)，輸出“Flag is now true. Exiting the thread.”。
這個(gè)示例演示了volatile關(guān)鍵字的作用，確保了flag變量的可見(jiàn)性。如果我們沒(méi)有使用volatile關(guān)鍵字，子線程可能會(huì)一直循環(huán)下去，因?yàn)樗床坏街骶€程對(duì)flag的修改。
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1.3 volatile非原子性案例
public class Test {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
VolatileAtomicityExample example = new VolatileAtomicityExample();
for(int i=1;i<=100;i++){
new Thread(()->{
for(int j=1;j<=1000;j++)
example.increment();
},String.valueOf(i)).start();
}
TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
System.out.println(example.getCount());
}
}
class VolatileAtomicityExample {
volatile int count = 0;
public void increment() {
count++;
}
public int getCount() {
return count;
}
}
我們創(chuàng)建了一個(gè)VolatileAtomicityExample類(lèi)，其中的成員變量count被聲明為volatile類(lèi)型。然后，我們創(chuàng)建了100個(gè)線程，每個(gè)線程分別執(zhí)行1000次increment()操作，對(duì)count進(jìn)行自增。最后，我們?cè)谥骶€程中打印count的最終值。以上示例中的輸出結(jié)果可能會(huì)因?yàn)檫\(yùn)行時(shí)的不確定性而有所不同。每次運(yùn)行時(shí)可能得到不同的結(jié)果，但通常結(jié)果都小于100000。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們需要使用synchronized關(guān)鍵字或其他線程安全機(jī)制來(lái)確保increment()方法的原子性。
這是什么原因呢？
?對(duì)于volatile變量具備可見(jiàn)性，JVM只是保證從主內(nèi)存加載到線程工作內(nèi)存的值是最新的，也僅是數(shù)據(jù)加載時(shí)是最新的。但是多線程環(huán)境下，"數(shù)據(jù)計(jì)算"和"數(shù)據(jù)賦值"操作可能多次出現(xiàn)，若數(shù)據(jù)在加載之后，若主內(nèi)存volatile修飾變量發(fā)生修改之后，線程工作內(nèi)存中的操作將會(huì)作廢去讀主內(nèi)存最新值，操作出現(xiàn)寫(xiě)丟失問(wèn)題。即各線程私有內(nèi)存和主內(nèi)存公共內(nèi)存中變量不同步，進(jìn)而導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致。由此可見(jiàn)volatile解決的是變量讀時(shí)的可見(jiàn)性問(wèn)題，但無(wú)法保證原子性，對(duì)于多線程修改主內(nèi)存共享變量的場(chǎng)景必須使用加鎖同步。
1.4 volatile 禁止重排序
內(nèi)存屏障是一種硬件指令或者編譯器指令，用于控制內(nèi)存操作的順序，以確保多線程環(huán)境下的內(nèi)存可見(jiàn)性和正確的執(zhí)行順序。
內(nèi)存屏障分為兩種類(lèi)型：
-
內(nèi)存讀屏障（Load Barrier）：它是一個(gè)特殊的硬件或者編譯器指令，用于保證在內(nèi)存讀取操作之前，所有的先行寫(xiě)操作都已經(jīng)完成，并且其結(jié)果對(duì)當(dāng)前線程可見(jiàn)。也就是說(shuō)，讀屏障可以防止后續(xù)讀取指令重排序到讀屏障之前的位置。
-
內(nèi)存寫(xiě)屏障（Store Barrier）：它是一個(gè)特殊的硬件或者編譯器指令，用于保證在內(nèi)存寫(xiě)入操作之前，所有的先行寫(xiě)操作和寫(xiě)屏障之前的寫(xiě)操作都已經(jīng)完成，并且其結(jié)果對(duì)其他線程可見(jiàn)。也就是說(shuō)，寫(xiě)屏障可以防止前面的寫(xiě)入指令重排序到寫(xiě)屏障之后的位置。
volatile關(guān)鍵字通過(guò)內(nèi)存屏障來(lái)保證變量的讀寫(xiě)操作不會(huì)被重排序。具體來(lái)說(shuō)，對(duì)于volatile變量的寫(xiě)操作，在寫(xiě)入變量之后會(huì)插入寫(xiě)屏障，這樣可以防止其他指令重排序到寫(xiě)屏障之前。類(lèi)似地，對(duì)于volatile變量的讀操作，在讀取變量之前會(huì)插入讀屏障，這樣可以防止其他指令重排序到讀屏障之前。
通過(guò)這種方式，volatile關(guān)鍵字確保了對(duì)變量的讀寫(xiě)操作具有一定的有序性，從而保證了多線程環(huán)境下的內(nèi)存可見(jiàn)性和正確的執(zhí)行順序。
1.5 volatile 日常使用場(chǎng)景
狀態(tài)標(biāo)志：當(dāng)一個(gè)線程修改了某個(gè)狀態(tài)標(biāo)志，其他線程需要立即看到最新的狀態(tài)。這時(shí)可以使用volatile關(guān)鍵字修飾狀態(tài)標(biāo)志，保證其在多線程之間的可見(jiàn)性。例如：
public class Task implements Runnable {
private volatile boolean isRunning = true;
@Override
public void run() {
while (isRunning) {
// 執(zhí)行任務(wù)邏輯
}
}
public void stop() {
isRunning = false;
}
}
雙重檢查鎖定（Double-Checked Locking）：在多線程環(huán)境下，當(dāng)需要延遲初始化一個(gè)對(duì)象時(shí)，為了避免重復(fù)初始化，常常使用雙重檢查鎖定。在這種情況下，需要使用volatile關(guān)鍵字來(lái)確保對(duì)象在多線程環(huán)境中的可見(jiàn)性。例如：
public class Singleton {
private volatile static Singleton instance;
private Singleton() {}
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
synchronized (Singleton.class) {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
}
}
return instance;
}
}
在上述代碼中，我們實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡(jiǎn)單的單例模式。在getInstance()方法中，我們使用雙重檢查鎖定來(lái)實(shí)現(xiàn)延遲初始化，確保只有在instance為空時(shí)才創(chuàng)建新的Singleton實(shí)例。
然而，在多線程環(huán)境下，由于指令重排序的存在，可能會(huì)導(dǎo)致以下問(wèn)題：
-
對(duì)象引用不為空但尚未初始化：在線程A執(zhí)行完
instance = new Singleton();這一行之前，可能發(fā)生指令重排序，導(dǎo)致instance的引用不為空，但是Singleton實(shí)例的初始化還未完成。這樣，線程B在執(zhí)行return instance;時(shí)就會(huì)得到一個(gè)尚未初始化的對(duì)象，導(dǎo)致錯(cuò)誤。 -
可見(jiàn)性問(wèn)題：指令重排序也可能導(dǎo)致線程B無(wú)法及時(shí)看到線程A的初始化操作。例如，線程A對(duì)
instance的賦值可能被重排到線程A的后面執(zhí)行，從而線程B在讀取instance時(shí)得到一個(gè)舊的引用，無(wú)法感知線程A的初始化操作。
為了解決這個(gè)問(wèn)題，需要在創(chuàng)建Singleton實(shí)例時(shí)使用volatile關(guān)鍵字來(lái)保證對(duì)象的可見(jiàn)性和禁止指令重排序。
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送書(shū)活動(dòng)
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