架构系列——面试必问：volatile的可见性、防止指令重排序以及不能保证原子性的解决方式

2023-08-30 62

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简介： 架构系列——面试必问：volatile的可见性、防止指令重排序以及不能保证原子性的解决方式

前言

volatile的使用与线程安全关系密切，主要作用是使变量在多个线程间可见，另外也有防止指令重排的作用。

比如主内存中有变量a=0，线程1设置a=10，线程2再操作a的时候，是以a=10的基础上进行操作，否则会影响逻辑！

一、volatile的可见性

要了解volatile的可见性，首先得了解java内存模型：

java内存模型

Java内存模型由Java虚拟机规范定义，用来屏蔽各个平台的硬件差异。简单来说:

1. 所有变量储存在主内存。

2. 每条线程拥有自己的工作内存，其中保存了主内存中线程使用到的变量的副本。

3. 线程不能直接读写主内存中的变量，所有操作均在工作内存中完成。

线程，主内存，工作内存的交互关系如下图所示

如下列代码所示，rt启动之后修改isRunning的值为false，此时while循环不会停止，因为run方法里得不到改变之后的isRunning

解决：使用volatile修饰isRunning，这样当isRunning的值改变之后，会立即刷新到主内存里，工作内存也能立即获取到新的值

public class RunThread extends Thread {
  private boolean isRunning = true;
  private void setRunning(boolean isRunning){
    this.isRunning = isRunning;
  }
  public void run () {
    System.out.println("进入run方法");
    while(isRunning == true){
      //...
    }
    System.out.println("线程停止");
  }
  public static void main(String[] args) {
    RunThread rt = new RunThread();
    rt.start();
    try {
      Thread.sleep(3000);
      rt.setRunning(false);
      System.out.println("isRunning的值已经被设置成false");
      Thread.sleep(1000);
      System.out.println(rt.isRunning);
    } catch (InterruptedException e) {
      // TODO Auto-generated catch block
      e.printStackTrace();
    }
  }
}

二、volatile能防止指令重排

如下列代码所示，这是单例模式的双检锁写法

public class SingletonTest {
    private volatile static SingletonTest instance = null;
    private SingletonTest() { }
    public static SingletonTest getInstance() {
        if(instance == null) {
            synchronized (SingletonTest.class){
                if(instance == null) {
                    instance = new SingletonTest();  //非原子操作
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

我们看到instance用了volatile修饰，由于 instance = new SingletonTest();可分解为：

1.memory =allocate(); //分配对象的内存空间
2.ctorInstance(memory); //初始化对象
3.instance =memory; //设置instance指向刚分配的内存地址.m

操作2依赖1，但是操作3不依赖2，所以有可能出现1,3,2的顺序，当出现这种顺序的时候，虽然instance不为空，但是对象也有可能没有正确初始化，会出错。

而使用volatile修饰instance之后，不会出现乱序的行为！

三、volatile不保证原子性以及解决方式

1.什么是原子性？

下列语句中，哪些是原子性操作？

x = 10;         //语句1
y = x;          //语句2
x++;            //语句3
x = x + 1;      //语句4

语句1 是直接将数值 10 赋值给 x，也就是说线程执行这个语句的会直接将数值 10 写入到工作内存中；

语句2 实际上包含两个操作，它先要去读取 x 的值，再将 x 的值写入工作内存。虽然，读取 x 的值以及将 x 的值写入工作内存这两个操作都是原子性操作，但是合起来就不是原子性操作了；

同样的，x++ 和 x = x+1 包括3个操作：读取 x 的值，进行加 1 操作，写入新的值。

只有语句1 的操作具备原子性。也就是说，只有简单的读取、赋值（而且必须是将数字赋值给某个变量，变量之间的相互赋值不是原子操作）才是原子操作！

2.举例

如下列代码所示，使用volatile修饰的变量count，利用10个线程分别对count进行++操作，而根据上面的表述，++操作不是原子操作！每个线程加1000个数，打印的结果中一定有一个是10000才是对的，但是实际上并不是这样！因为volatile不保证原子性！

public class VolatileNoAtomic extends Thread{
  private static volatile int count;
//  private static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
  private static void addCount(){
    for (int i = 0; i < 1000; i++) {
      count ++;
//      count.incrementAndGet();
    }
    System.out.println(count);
  }
  public void run(){
    addCount();
  }
  public static void main(String[] args) {
    VolatileNoAtomic[] arr = new VolatileNoAtomic[10];
    for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
      arr[i] = new VolatileNoAtomic();
    }
    for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
      arr[i].start();
    }
  }
}