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周伟 0f006e4e9b add
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</li>
<li>
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</li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/71 讲一讲经典的哲学家就餐问题.md.html">71 讲一讲经典的哲学家就餐问题.md.html</a>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/72 final 的三种用法是什么？.md.html">72 final 的三种用法是什么？.md.html</a>
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<li>
<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/73 为什么加了 final 却依然无法拥有“不变性”？.md.html">73 为什么加了 final 却依然无法拥有“不变性”？.md.html</a>
</li>
<li>
<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/74 为什么 String 被设计为是不可变的？.md.html">74 为什么 String 被设计为是不可变的？.md.html</a>
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<li>
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</li>
<li>
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</li>
<li>
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</li>
<li>
<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/78 一份独家的 Java 并发工具图谱.md.html">78 一份独家的 Java 并发工具图谱.md.html</a>
</li>
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<p id="tip" align="center"></p>
<div><h1>62 volatile 的作用是什么？与 synchronized 有什么异同？</h1>
<p>本课时我们主要介绍 volatile 的作用和适用场景，以及它与 synchronized 有什么异同。</p>
<h3>volatile 是什么</h3>
<p>首先我们就来介绍一下 volatile，它是 Java 中的一个关键字，是一种同步机制。当某个变量是共享变量，且这个变量是被 volatile 修饰的，那么在修改了这个变量的值之后，再读取该变量的值时，可以保证获取到的是修改后的最新的值，而不是过期的值。</p>
<p>相比于 synchronized 或者 Lock，volatile 是更轻量的，因为使用 volatile 不会发生上下文切换等开销很大的情况，不会让线程阻塞。但正是由于它的开销相对比较小，所以它的效果，也就是能力，相对也小一些。</p>
<p>虽然说 volatile 是用来保证线程安全的，但是它做不到像 synchronized 那样的同步保护，volatile 仅在很有限的场景中才能发挥作用，所以下面就让我们来看一下它的适用场景，我们会先给出不适合使用 volatile 的场景，再给出两种适合使用 volatile 的场景。</p>
<h3>volatile 的适用场合</h3>
<h4>不适用：a++</h4>
<p>首先我们就来看一下不适合使用 volatile 的场景，volatile 不适合运用于需要保证原子性的场景，比如更新的时候需要依赖原来的值，而最典型的就是 a++ 的场景，我们仅靠 volatile 是不能保证 a++ 的线程安全的。代码如下所示：</p>
<pre><code class="language-java">public class DontVolatile implements Runnable {
volatile int a;
AtomicInteger realA = new AtomicInteger();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Runnable r = new DontVolatile();
Thread thread1 = new Thread(r);
Thread thread2 = new Thread(r);
thread1.start();
thread2.start();
thread1.join();
thread2.join();
System.out.println(((DontVolatile) r).a);
System.out.println(((DontVolatile) r).realA.get());
}
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i &lt; 1000; i++) {
a++;
realA.incrementAndGet();
}
}
}
</code></pre>
<p>在这段代码中，我们有一个 volatile 修饰的 int 类型的 a 变量，并且下面还有一个原子类的 realA，原子类是可以保证线程安全的，所以我们就用它来和 volatile int a 做对比，看一看它们实际效果上的差别。</p>
<p>在 main 函数中，我们新建了两个线程，并且让它们运行。这两个线程运行的内容就是去执行 1000 次的累加操作，每次累加操作会对 volatile 修饰的变量 a 进行自加操作，同时还会对原子类 realA 进行自加操作。当这两个线程都运行完毕之后，我们把结果给打印出来，其中一种运行结果如下：</p>
<pre><code class="language-java">1988
2000
</code></pre>
<p>会发现最终的 a 值和 realA 值分别为 1988 和 2000。可以看出，即便变量 a 被 volatile 修饰了，即便它最终一共执行了 2000 次的自加操作（这一点可以由原子类的最终值来印证），但是依然有一些自加操作失效了，所以最终它的结果是不到 2000 的，这就证明了 volatile 不能保证原子性，那么它究竟适合运用于什么场景呢？</p>
<h4>适用场合1：布尔标记位</h4>
<p>如果某个共享变量自始至终只是被各个线程所赋值或读取，而没有其他的操作（比如读取并在此基础上进行修改这样的复合操作）的话，那么我们就可以使用 volatile 来代替 synchronized 或者代替原子类，因为赋值操作自身是具有原子性的，volatile 同时又保证了可见性，这就足以保证线程安全了。</p>
<p>一个比较典型的场景就是布尔标记位的场景，例如 volatile boolean flag。因为通常情况下，boolean 类型的标记位是会被直接赋值的，此时不会存在复合操作（如 a++），只存在单一操作，就是去改变 flag 的值，而一旦 flag 被 volatile 修饰之后，就可以保证可见性了，那么这个 flag 就可以当作一个标记位，此时它的值一旦发生变化，所有线程都可以立刻看到，所以这里就很适合运用 volatile 了。</p>
<p>我们来看一下代码示例：</p>
<pre><code class="language-java">public class YesVolatile1 implements Runnable {
volatile boolean done = false;
AtomicInteger realA = new AtomicInteger();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Runnable r = new YesVolatile1();
Thread thread1 = new Thread(r);
Thread thread2 = new Thread(r);
thread1.start();
thread2.start();
thread1.join();
thread2.join();
System.out.println(((YesVolatile1) r).done);
System.out.println(((YesVolatile1) r).realA.get());
}
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i &lt; 1000; i++) {
setDone();
realA.incrementAndGet();
}
}
private void setDone() {
done = true;
}
}
</code></pre>
<p>这段代码和前一段代码非常相似，唯一不同之处在于，我们把 volatile int a 改成了 volatile boolean done，并且在 1000 次循环的操作过程中调用的是 setDone() 方法，而这个 setDone() 方法就是把 done 这个变量设置为 true，而不是根据它原来的值再做判断，例如原来是 false，就设置成 true，或者原来是 true，就设置成 false，这些复杂的判断是没有的，setDone() 方法直接就把变量 done 的值设置为 true。那么这段代码最终运行的结果如下：</p>
<pre><code class="language-java">true
2000
</code></pre>
<p>无论运行多少次，控制台都会打印出 true 和 2000，打印出的 2000 已经印证出确实是执行了 2000 次操作，而最终的 true 结果证明了，在这种场景下，volatile 起到了保证线程安全的作用。</p>
<p>第二个例子区别于第一个例子最大的不同点就在于，第一个例子的操作是 a++，这是个复合操作，不具备原子性，而在本例中的操作仅仅是把 done 设置为 true，这样的赋值操作本身就是具备原子性的，所以在这个例子中，它是适合运用 volatile 的。</p>
<h4>适用场合 2：作为触发器</h4>
<p>那么下面我们再来看第二个适合用 volatile 的场景：作为触发器，保证其他变量的可见性。</p>
<p>下面是 Brian Goetz 提供的一个经典例子：</p>
<pre><code class="language-java">Map configOptions;
char[] configText;
volatile boolean initialized = false;
. . .
// In thread A
configOptions = new HashMap();
configText = readConfigFile(fileName);
processConfigOptions(configText, configOptions);
initialized = true;
. . .
// In thread B
while (!initialized)
sleep();
// use configOptions
</code></pre>
<p>在这段代码中可以看到，我们有一个 map 叫作 configOptions，还有一个 char 数组叫作 configText，然后会有一个被 volatile 修饰的 boolean initialized，最开始等于 false。再下面的这四行代码是由线程 A 所执行的，它所做的事情就是初始化 configOptions，再初始化 configText，再把这两个值放到一个方法中去执行，实际上这些都代表了初始化的行为。那么一旦这些方法执行完毕之后，就代表初始化工作完成了，线程 A 就会把 initialized 这个变量设置为 true。</p>
<p>而对于线程 B 而言，它一开始会在 while 循环中反复执行 sleep 方法（例如休眠一段时间），直到 initialized 这个变量变成 true，线程 B 才会跳过 sleep 方法，继续往下执行。重点来了，一旦 initialized 变成了 true，此时对于线程 B 而言，它就会立刻使用这个 configOptions，所以这就要求此时的 configOptions 是初始化完毕的，且初始化的操作的结果必须对线程 B 可见，否则线程 B 在执行的时候就可能报错。</p>
<p>你可能会担心，因为这个 configOptions 是在线程 A 中修改的，那么在线程 B 中读取的时候，会不会发生可见性问题，会不会读取的不是初始化完毕后的值？如果我们不使用 volatile，那么确实是存在这个问题的。</p>
<p>但是现在我们用了被 volatile 修饰的 initialized 作为触发器，所以这个问题被解决了。根据happens-before 关系的单线程规则，线程 A 中 configOptions 的初始化 happens-before 对 initialized 变量的写入，而线程 B 中对 initialzed 的读取 happens-before 对 configOptions 变量的使用，同时根据 happens-before 关系的 volatile 规则，线程 A 中对 initialized 的写入为 true 的操作 happens-before 线程 B 中随后对 initialized 变量的读取。</p>
<p>如果我们分别有操作 A 和操作 B，我们用 hb(A, B) 来表示 A happens-before B。而 Happens-before 是有可传递性质的，如果hb(A, B)，且hb(B, C)，那么可以推出hb(A, C)。所以根据上面的条件，我们可以得出结论：线程 A 中对于 configOptions 的初始化 happens-before 线程 B 中 对于 configOptions 的使用。所以对于线程 B 而言，既然它已经看到了 initialized 最新的值，那么它同样就能看到包括 configOptions 在内的这些变量初始化后的状态，所以此时线程 B 使用 configOptions 是线程安全的。这种用法就是把被 volatile 修饰的变量作为触发器来使用，保证其他变量的可见性，这种用法也是非常值得掌握的，可以作为面试时的亮点。</p>
<h3>volatile 的作用</h3>
<p>上面我们分析了两种非常典型的用法，那么就来总结一下 volatile 的作用，它一共有两层作用。</p>
<p><strong>第一层的作用是保证可见性</strong>。Happens-before 关系中对于 volatile 是这样描述的：对一个 volatile 变量的写操作 happen-before 后面对该变量的读操作。</p>
<p>这就代表了如果变量被 volatile 修饰，那么每次修改之后，接下来在读取这个变量的时候一定能读取到该变量最新的值。</p>
<p><strong>第二层的作用就是禁止重排序</strong>。先介绍一下 as-if-serial语义：不管怎么重排序，（单线程）程序的执行结果不会改变。在满足 as-if-serial 语义的前提下，由于编译器或 CPU 的优化，代码的实际执行顺序可能与我们编写的顺序是不同的，这在单线程的情况下是没问题的，但是一旦引入多线程，这种乱序就可能会导致严重的线程安全问题。用了 volatile 关键字就可以在一定程度上禁止这种重排序。</p>
<h3>volatile 和 synchronized 的关系</h3>
<p>下面我们就来看一下 volatile 和 synchronized 的关系：</p>
<p>相似性：volatile 可以看作是一个轻量版的 synchronized，比如一个共享变量如果自始至终只被各个线程赋值和读取，而没有其他操作的话，那么就可以用 volatile 来代替 synchronized 或者代替原子变量，足以保证线程安全。实际上，对 volatile 字段的每次读取或写入都类似于“半同步”——读取 volatile 与获取 synchronized 锁有相同的内存语义，而写入 volatile 与释放 synchronized 锁具有相同的语义。</p>
<p>不可代替：但是在更多的情况下，volatile 是不能代替 synchronized 的，volatile 并没有提供原子性和互斥性。</p>
<p>性能方面：volatile 属性的读写操作都是无锁的，正是因为无锁，所以不需要花费时间在获取锁和释放锁上，所以说它是高性能的，比 synchronized 性能更好。</p>
<h3>小结</h3>
<p>最后总结一下，本课时主要介绍了 volatile 是什么，以及它不适用的场景和两种非常典型的适用场景；然后我们介绍了 volatile 的两点作用，第一点是保证可见性，第二点是禁止重排序；最后我们分析了 volatile 和 synchronized 的关系。</p>
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