Java Volatile关键字

原文地址 作者：Jakob Jenkov 译者：小龙虾

Java的volatile关键字用于标记一个变量“应当存储在主存”。更确切地说，每次读取volatile变量，都应该从主存读取，而不是从CPU缓存读取。每次写入一个volatile变量，应该写到主存中，而不是仅仅写到CPU缓存。

实际上，从Java 5开始，volatile关键字除了保证volatile变量从主存读写外，还提供了更多的保障。我将在后面的章节中进行说明。

变量可见性问题

Java的volatile关键字能保证变量修改后，对各个线程是可见的。这个听起来有些抽象，下面就详细说明。

在一个多线程的应用中，线程在操作非volatile变量时，出于性能考虑，每个线程可能会将变量从主存拷贝到CPU缓存中。如果你的计算机有多个CPU，每个线程可能会在不同的CPU中运行。这意味着，每个线程都有可能会把变量拷贝到各自CPU的缓存中，如下图所示：

对于非volatile变量，JVM并不保证会从主存中读取数据到CPU缓存，或者将CPU缓存中的数据写到主存中。这会引起一些问题，在后面的章节中，我会来解释这些问题。

试想一下，如果有两个以上的线程访问一个共享对象，这个共享对象包含一个counter变量，下面是代码示例：

public class SharedObject {

    public int counter = 0;

}

如果只有线程1修改了（自增）counter变量，而线程1和线程2两个线程都会在某些时刻读取counter变量。

如果counter变量没有声明成volatile，则counter的值不保证会从CPU缓存写回到主存中。也就是说，CPU缓存和主存中的counter变量值并不一致，如下图所示：

这就是“可见性”问题，线程看不到变量最新的值，因为其他线程还没有将变量值从CPU缓存写回到主存。一个线程中的修改对另外的线程是不可见的。

volatile可见性保证

Java的volatile关键字就是设计用来解决变量可见性问题。将counter变量声明为volatile，则在写入counter变量时，也会同时将变量值写入到主存中。同样的，在读取counter变量值时，也会直接从主存中读取。

下面的代码演示了如果将counter声明为volatile：

public class SharedObject {

    public volatile int counter = 0;

}

将一个变量声明为volatile，可以保证变量写入时对其他线程的可见。

在上面的场景中，一个线程（T1）修改了counter，另一个线程（T2）读取了counter（但没有修改它），将counter变量声明为volatile，就能保证写入counter变量后，对T2是可见的。

然而，如果T1和T2都修改了counter的值，只是将counter声明为volatile还远远不够，后面会有更多的说明。

完整的volatile可见性保证

实际上，volatile的可见性保证并不是只对于volatile变量本身那么简单。可见性保证遵循以下规则：

• 如果线程A写入一个volatile变量，线程B随后读取了同样的volatile变量，则线程A在写入volatile变量之前的所有可见的变量值，在线程B读取volatile变量后也同样是可见的。
• 如果线程A读取一个volatile变量，那么线程A中所有可见的变量也会同样从主存重新读取。

下面用一段代码来示例说明：

public class MyClass {
    private int years;
    private int months
    private volatile int days;


    public void update(int years, int months, int days){
        this.years  = years;
        this.months = months;
        this.days   = days;
    }
}

update()方法写入3个变量，其中只有days变量是volatile。

完整的volatile可见性保证意味着，在写入days变量时，线程中所有可见变量也会写入到主存。也就是说，写入days变量时，years和months也会同时被写入到主存。

下面的代码读取了years、months、days变量：

public class MyClass {
    private int years;
    private int months
    private volatile int days;

    public int totalDays() {
        int total = this.days;
        total += months * 30;
        total += years * 365;
        return total;
    }

    public void update(int years, int months, int days){
        this.years  = years;
        this.months = months;
        this.days   = days;
    }
}

请注意totalDays()方法开始读取days变量值到total变量。在读取days变量值时，months和years的值也会同时从主存读取。因此，按上面所示的顺序读取时，可以保证读取到days、months、years变量的最新值。

译者注：可以将对volatile变量的读写理解为一个触发刷新的操作，写入volatile变量时，线程中的所有变量也都会触发写入主存。而读取volatile变量时，也同样会触发线程中所有变量从主存中重新读取。因此，应当尽量将volatile的写入操作放在最后，而将volatile的读取放在最前，这样就能连带将其他变量也进行刷新。上面的例子中，update()方法对days的赋值就是放在years、months之后，就是保证years、months也能将最新的值写入到主存，如果是放在两个变量之前，则days会写入主存，而years、months则不会。反过来，totalDays()方法则将days的读取放在最前面，就是为了能同时触发刷新years、months变量值，如果是放后面，则years、months就可能还是从CPU缓存中读取值，而不是从主存中获取最新值。

指令重排问题

出于性能考虑，JVM和CPU是允许对程序中的指令进行重排的，只要保证（重排后的）指令语义一致即可。如下代码为例：

int a = 1;
int b = 2;

a++;
b++;

这些指令可以按以下顺序重排，而不改变程序的语义：

int a = 1;
a++;

int b = 2;
b++;

然而，指令重排面临的一个问题就是对volatile变量的处理。还是以前面提到的MyClass类来说明：

public class MyClass {
    private int years;
    private int months
    private volatile int days;


    public void update(int years, int months, int days){
        this.years  = years;
        this.months = months;
        this.days   = days;
    }
}

一旦update()变量写了days值，则years、months的最新值也会写入到主存。但是，如果JVM重排了指令，比如按以下方式重排：

public void update(int years, int months, int days){
    this.days   = days;
    this.months = months;
    this.years  = years;
}

在days被修改时，months、years的值也会写入到主存，但这时进行写入，months、years并不是新的值（译者注：即在months、years被赋新值之前，就触发了这两个变量值写入主存的操作，自然这两个变量在主存中的值就不是新值）。新的值自然对其他线程是不可见的。指令重排导致了程序语义的改变。

Java对此有一个解决方法，我们会在下一章节中说明。

Java volatile Happens-Before保证

为了解决指令重排的问题，Java的volatile关键字在可见性之外，又提供了happends-before保证。happens-before原则如下：

• 如果有读写操作发生在写入volatile变量之前，读写其他变量的指令不能重排到写入volatile变量之后。写入一个volatile变量之前的读写操作，对volatile变量是有happens-before保证的。注意，如果是写入volatile之后，有读写其他变量的操作，那么这些操作指令是有可能被重排到写入volatile操作指令之前的。但反之则不成立。即可以把位于写入volatile操作指令之后的其他指令移到写入volatile操作指令之前，而不能把位于写入volatile操作指令之前的其他指令移到写入volatile操作指令之后。
• 如果有读写操作发生在读取volatile变量之后，读写其他变量的指令不能重排到读取volatile变量之前。注意，如果是读取volatile之前，有读取其他变量的操作，那么这些操作指令是有可能被重排到读取volatile操作指令之后的。但反之则不成立。即可以把位于读取volatile操作指令之前的指令移到读取volatile操作指令之后，而不能把位于读取volatile操作指令之后的指令移到读取volatile操作指令之前。

以上的happens-before原则为volatile关键字的可见性提供了强制保证。

译者注：这两个原则读起来有些拗口（当然翻译也不足够好），其实就是不管JVM怎么去禁止/允许某些情况下的指令重排，最终就是保证“完整的volatile可见性保证”的那种效果，所以，只要理解了“完整的volatile可见性保证”的效果就足够了。

volatile并不总是可行的

虽然volatile关键字能保证volatile变量的所有读取都是直接从主存读取，所有写入都是直接写入到主存中，但在一些情形下，仅仅是将变量声明为volatile还是远远不够的。

就像前面示例所说的，线程1写入共享变量counter的值，将counter声明为volatile已经足够保证线程2总是能获取到最新的值。

事实上，多个线程都能写入共享的volatile变量，主存中也能存储正确的变量值，然而这有一个前提，变量新值的写入不能依赖于变量的旧值。换句话说，就是一个线程写入一个共享volatile变量值时，不需要先读取变量值，然后以此来计算出新的值。

如果线程需要先读取一个volatile变量的值，以此来计算出一个新的值，那么volatile变量就不足够保证正确的可见性。（线程间）读写volatile变量的时间间隔很短，这将导致一个竞态条件，多个线程同时读取了volatile变量相同的值，然后以此计算出了新的值，这时各个线程往主存中写回值，则会互相覆盖。

多个线程对counter变量进行自增操作就是这样的情形，下面的章节会详细说明这种情形。

设想一下，如果线程1将共享变量counter的值0读取到它的CPU缓存，然后自增为1，而还没有将新值写回到主存。线程2这时从主存中读取的counter值依然是0，依然放到它自身的CPU缓存中，然后同样将counter值自增为1，同样也还没有将新值写回到主存。如下图所示：

从实际的情况来看，线程1和线程2现在就是不同步的。共享变量counter正确的值应该是2，但各个线程中CPU缓存的值都是1，而主存中的值依然是0。这是很混乱的。即使线程最终将共享变量counter的值写回到主存，那值也明显是错的。

何时使用volatile

正如我前面所说，如果两个线程同时读写一个共享变量，仅仅使用volatile关键字是不够的。你应该使用 synchronized 来保证读写变量是原子的。（一个线程）读写volatile变量时，不会阻塞（其他）线程进行读写。你必须在关键的地方使用synchronized关键字来解决这个问题。

除了synchronized方法，你还可以使用java.util.concurrent包提供的许多原子数据类型来解决这个问题。比如，AtomicLong或AtomicReference，或是其他的类。

如果只有一个线程对volatile进行读写，而其他线程只是读取变量，这时，对于只是读取变量的线程来说，volatile就已经可以保证读取到的是变量的最新值。如果没有把变量声明为volatile，这就无法保证。

volatile关键字对32位和64位的变量都有效。

volatile的性能考量

读写volatile变量会导致变量从主存读写。从主存读写比从CPU缓存读写更加“昂贵”。访问一个volatile变量同样会禁止指令重排，而指令重排是一种提升性能的技术。因此，你应当只在需要保证变量可见性的情况下，才使用volatile变量。