Java中volatile关键字的线程的可见性、有序性详解

引言

在juc多线程并发编程中，常常需要关注线程的“可见性”与“有序性”。本文将详细介绍这两部分内容，以及volatile关键字的使用。

阅读本文前需要一些jvm运行时内存、进程与线程、共享内存、锁等相关知识。

1、可见性

1.1 定义

当一个对象在多个内存中都存在副本时，如果一个内存修改了共享变量，其它线程也应该能够看到被修改后的值。

1.2 解释

解释这句话，首先我们要知道，进程是操作系统分配资源的最小单位，在每个进程里，都包含有数据共享的区域（例如其中有成员变量、堆、静态常量等，详情查阅jvm运行时内存），并可能包含多个线程。 在jvm底层，每个线程想要操作某个共享变量时，不能够直接操作共享区域的“主存”，而是要先把数据从主存读到线程自己的高速缓存中，再进行操作，再赋值回去。

“具体来说，当一个线程要读取某个变量的值时，它首先检查自己的工作缓存中是否存在该变量的副本。 如果存在，则直接读取副本的值； 如果不存在，则从主内存中获取该变量的最新值，并将其复制到自己的工作缓存中。 类似地，当一个线程要修改某个变量的值时，它首先会在自己的工作缓存中修改副本，再根据一定的策略将变化同步回主内存。”

那么可见性的概念相应而来：多个线程都存了同一个对象副本，如果此时有一个内存修改了共享变量，其他的线程应该能够“看到”，而不是傻b一样仍旧拿着自己缓存里的值操作了。

1.3 实例说明

例如下面情况，如果main 线程对 run 变量的修改对于 t 线程不可见，导致了 t 线程无法停止：

其原因是t线程频繁从主内存中读取 run 的值，JIT 编译器会将 run 的值缓存至自己工作内存中的高速缓存中， 减少对主存中 run 的访问。 那么，当主线程（也就是其他线程）把run变为false，由于子线程t（当前线程）仍然从高速缓存里读的run，会认为run并没有改变，从而逻辑出现问题。

1.4 解决方法：volatile（易变关键字）

作用：volatile可以用来修饰成员变量和静态成员变量，他可以避免线程从自己的工作缓存中查找变量的值，必须到主存中获取它的值。（关键点）

然而volatile并不能保证原子性，例如不加锁的多线程执行函数，对成员变量i进行i++ i--，最后得到的结果i不一定是不变的。 因为volatile关键字，只能让该线程在使用数据前强制从主存读取，但读取后是否发生改变是看不见的。如果有别的线程在该线程读取后成功改变了共享内存的值，还是会发生指令交错。

2、有序性

在多线程环境下，由于编译器和处理器对指令进行优化和重排序，可能会导致操作的执行顺序发生改变，从而违反了代码编写的原始顺序。

为了保证有序性，可以使用以下方法：

使用volatile关键字：对关键的共享变量使用volatile关键字进行声明，以确保对该变量的写操作立即对其他线程可见。

使用synchronized关键字或Lock机制：通过使用同步块或锁来保护共享资源的读写操作，确保线程之间的有序访问。

使用原子类：Java提供了一些原子类（如AtomicInteger、AtomicLong等）来进行原子操作，这些原子类的方法能够保证操作的原子性、可见性和有序性。

简单来说volatile避免了指令重排，也就避免了多线程中可能产生的问题。

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