volatile关键字的使用

Question

最近研究了下volatile，volatile关键字的作用是，在多线程环境下保证被volatile修饰变量，一定是从JVM主存中获取。但是我好像发现，默认情况下如果代码没有被JIT优化，也就是变量没被缓存到线程的工作内存下，变量的读取好像还是从JVM主存中获取。这样的话，即使不使用volatile修饰，还是能保证多线程的可见性的。但是如果代码被JIT优化的话，也就是代码执行频率到达到一定限度（client 1500次, server10000），这样才需要用volatile修饰变量。但是我发现还是有人会在顺序语句中使用被volatile关键字修饰的变量。请问我的理解有没有错误。

Answer 1

在Java线程并发处理中，有一个关键字volatile的使用目前存在很大的混淆，以为使用这个关键字，在进行多线程并发处理的时候就可以万事大吉。

Java语言是支持多线程的，为了解决线程并发的问题，在语言内部引入了 同步块(synchronized) 和 volatile 关键字机制。

 

synchronized(不做过多解释)

同步块大家都比较熟悉，通过 synchronized 关键字来实现，所有加上synchronized 和 块语句，在多线程访问的时候，同一时刻只能有一个线程能够用

synchronized 修饰的方法 或者 代码块。

 

volatile

用volatile修饰的变量，线程在每次使用变量的时候，都会读取变量修改后的最的值。volatile很容易被误用，用来进行原子性操作。

 

如果要深入了解volatile关键字的作用，就必须先来了解一下JVM在运行时候的内存分配过程。

 

在 java 垃圾回收整理一文中，描述了jvm运行时刻内存的分配。其中有一个内存区域是jvm虚拟机栈，每一个线程运行时都有一个线程栈，

 

线程栈保存了线程运行时候变量值信息。当线程访问某一个对象时候值的时候，首先通过对象的引用找到对应在堆内存的变量的值，然后把堆内存

 

变量的具体值load到线程本地内存中，建立一个变量副本，之后线程就不再和对象在堆内存变量值有任何关系，而是直接修改副本变量的值，

 

在修改完之后的某一个时刻（线程退出之前），自动把线程变量副本的值回写到对象在堆中变量。这样在堆中的对象的值就产生变化了。下面一幅图

 

描述这写交互！

 

 

 

那么在了解完JVM在运行时候的内存分配过程以后，我们开始真正深入的讨论volatile的具体作用

请看代码:

 

 1 public class VolatileTest extends Thread {
 2     
 3     boolean flag = false;
 4     int i = 0;
 5     
 6     public void run() {
 7         while (!flag) {
 8             i++;
 9         }
10     }
11     
12     public static void main(String[] args) throws Exception {
13         VolatileTest vt = new VolatileTest();
14         vt.start();
15         Thread.sleep(2000);
16         vt.flag = true;
17         System.out.println("stope" + vt.i);
18     }
19 }

 

上面的代码是通过标记flag来控制VolatileTest线程while循环退出的例子!

下面让我用伪代码来描述一下我们的程序

• 首先创建 VolatileTest vt = new VolatileTest();
• 然后启动线程 vt.start();
• 暂停主线程2秒（Main） Thread.sleep(2000);
• 这时的vt线程已经开始执行，进行i++;
• 主线程暂停2秒结束以后将 vt.flag = true;
• 打印语句 System.out.println("stope" + vt.i); 在此同时由于vt.flag被设置为true,所以vt线程在进行下一次while判断 while (!flag) 返回假 结束循环 vt线程方法结束退出！
• 主线程结束

上面的叙述看似并没有什么问题，“似乎”完全正确。那就让我们把程序运行起来看看效果吧，执行mian方法。2秒钟以后控制台打印stope-202753974。

可是奇怪的事情发生了 程序并没有退出。vt线程仍然在运行，也就是说我们在主线程设置的 vt.flag = true;没有起作用。

 

在这里我需要说明一下，有的同学可能在测试上面代码的时候程序可以正常退出。那是因为你的JVM没有优化造成的！在DOC下面输入 java -version 查看 如果显示Java HotSpot(TM) ... Server 则JVM会进行优化。

如果显示Java HotSpot(TM) ... Client 为客户端模式，需要设置成Server模式  设置方法问Google

 

 

 

问题出现了，为什么我在主线程（main）中设置了vt.flag = true; 而vt线程在进行判断flag的时候拿到的仍然是false?

 那么按照我们上面所讲的 “JVM在运行时候的内存分配过程” 就很好解释上面的问题了。

 首先 vt线程在运行的时候会把 变量 flag 与 i (代码3,4行)从“主内存”  拷贝到 线程栈内存（上图的线程工作内存）

 然后 vt线程开始执行while循环 

 

 7         while (!flag) {
 8             i++;
 9         }

while (!flag)进行判断的flag 是在线程工作内存当中获取，而不是从 “主内存”中获取。

i++; 将线程内存中的i++; 加完以后将结果写回至 "主内存"，如此重复。

 

然后再说说主线程的执行过程。 我只说明关键的地方 

vt.flag = true;

主线程将vt.flag的值同样 从主内存中拷贝到自己的线程工作内存 然后修改flag=true. 然后再将新值回到主内存。

这就解释了为什么在主线程（main）中设置了vt.flag = true; 而vt线程在进行判断flag的时候拿到的仍然是false。那就是因为vt线程每次判断flag标记的时候是从它自己的“工作内存中”取值，而并非从主内存中取值！

这也是JVM为了提供性能而做的优化。那我们如何能让vt线程每次判断flag的时候都强制它去主内存中取值呢。这就是volatile关键字的作用。

再次修改我们的代码

public class VolatileTest extends Thread {
    
    volatile boolean flag = false;
    int i = 0;
    
    public void run() {
        while (!flag) {
            i++;
        }
    }
    
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        VolatileTest vt = new VolatileTest();
        vt.start();
        Thread.sleep(2000);
        vt.flag = true;
        System.out.println("stope" + vt.i);
    }
}

在flag前面加上volatile关键字，强制线程每次读取该值的时候都去“主内存”中取值。在试试我们的程序吧，已经正常退出了。