Java中的Volatile关键字能否保证线程安全？

王林

发布时间：2023-04-21 20:07:06

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volatile

volatile 是 java 中的一个相对来说比较重要的关键字，主要就是用来修饰会被不同线程访问和修改的变量。

而这个变量只能保证两个特性，一个是保证有序性，另外一个则是保证可见性。

那么什么是有序性，什么又是可见性呢？

有序性

那么什么是有序性呢？

其实程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行，禁止进行指令重排序。

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看似理所当然，其实并不是这样，指令重排序是JVM为了优化指令，提高程序运行效率，在不影响单线程程序执行结果的前提下，尽可能地提高并行度。

但是在多线程环境下，有些代码的顺序改变，有可能引发逻辑上的不正确。

而 volatile 就是因为有这个特性，所以才被大家熟知的。

volatile 又是如何保证有序性的呢？

有很多小伙伴就说，网上说的是 volatile 可以禁止指令指令重排序，这就保证了代码的程序会严格按照代码的先后顺序执行。这就保证了有序性。被 volatile 修饰的变量的操作，会严格按照代码顺序执行，就是说当代码执行到 volatile 修饰的变量时，其前面的代码一定执行完毕，后面的代码一定没有执行。

如果这时候，面试官不再继续深挖下去的话，那么恭喜你，可能这个问题已经回答完了，但是如果面试官继续往下深挖，为什么会禁止指令重排，什么又是指令重排呢？

在从源码到指令的执行，一般是分成了三种重排，如图所示：

Java中Volatile关键字能不能保证原子性

我们接下来就得看看 volatile 是如何禁止指令重排的。

我们直接用代码来进行验证：

public class ReSortDemo {

int a = 0;
boolean flag = false;

public void mehtod1(){
a = 1;
flag = true;
}

public void method2(){
if(flag){
a = a +1;
System.out.println("最后的值: "+a);
}
}
}

如果有人看到这段代码，肯定会说，那这段代码出来的结果会是什么呢？

有些人说是 2，是的，如果你只是单线程调用，那结果就是 2，但是如果是多线程调用的时候，最后的输出结果不一定是我们想象到的 2，这时就要把两个变量都设置为 volatile。

如果大家对单例模式了解比较多的话，肯定也是关注过这个 volatile，为什么呢？

大家看看如下代码：

class Singleton {
// 不是一个原子性操作
//private static Singleton instance;
//改进，Volatile 可以保持可见性，不能保证原子性，由于内存屏障，可以保证避免指令重排的现象产生！
private static volatile Singleton instance;

// 构造器私有化
private Singleton() {
}

// 提供一个静态的公有方法，加入双重检查代码，解决线程安全问题, 同时解决懒加载问题，同时保证了效率, 推荐使用
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
synchronized (Singleton.class) {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
}
}
return instance;
}
}

上面的单例模式大家熟悉么？

是的，这就是 **双重检查(DCL 懒汉式) **

有人会说，因为有指令重排序的存在，双端检索机制也也不一定是线程安全的呀，对呀，所以用到了 synchronized 关键字，让他变成了线程安全的了。

可见性

其实可见性就是，在多线程环境中，对共享变量的修改对于其他线程是否立即可见的问题。

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那么他的可见性一般都会表现在什么地方呢？用在什么地方呢？

其实一般用这个变量，很多都是为了保证他的可见性，就比如定义的一个全局变量，在其中有个循环来判断这个变量的值，有一个线程修改了这个参数的时候，这个循环会停止，跳转到之后去执行。

我们来看看没有使用volatile修饰代码实现：

public class Test {

private static boolean flag = false;

public static void main(String[] args) throws Exception{
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println("线程A开始执行:");
for (;;){
if (flag){
System.out.println("跳出循环");
break;
}
}
}
}).start();
Thread.sleep(100);

new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println("线程B开始执行");
flag = true;
System.out.println("标识已经变更");
}
}).start();
}
}

结果大家肯定是可想而知，

运行结果肯定是：

线程A开始执行:线程B开始执行标识已经变更

确实，就是这样的。

Java中Volatile关键字能不能保证原子性

如果我们用 volatile 呢，那么这个代码的执行结果就会不一样呢？

我们来试一下：

public class Test {

private static volatile boolean flag = false;

public static void main(String[] args) throws Exception{
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println("线程A开始执行:");
for (;;){
if (flag){
System.out.println("跳出循环");
break;
}
}
}
}).start();
Thread.sleep(100);

new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println("线程B开始执行");
flag = true;
System.out.println("标识已经变更");
}
}).start();
}

这样我们就能看到另外一个执行结果，在循环当中的输出语句是可以被执行的。

Java中Volatile关键字能不能保证原子性

也就是说，在线程B 中，我们去修改这个被修饰的变量，那么最终，在线程A中，就能顺利读取到我们的数据信息了。

是否能够保证原子性

不能，我们来看一点代码，被volatile修饰的变量，

public class Test {

// volatile不保证原子性
// 原子性：保证数据一致性、完整性
volatile int number = 0;

public void addPlusPlus() {
number++;
}

public static void main(String[] args) {
Test volatileAtomDemo = new Test();
for (int j = 0; j < 20; j++) {
new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
volatileAtomDemo.addPlusPlus();
}
}, String.valueOf(j)).start();
}// 后台默认两个线程：一个是main线程，一个是gc线程
while (Thread.activeCount() > 2) {
Thread.yield();
}
// 如果volatile保证原子性的话，最终的结果应该是20000 // 但是每次程序执行结果都不等于20000
System.out.println(Thread.currentThread().getName() +
" final number result = " + volatileAtomDemo.number);
}
}

如果能够保原子性，那么最终的结果应该是20000，但是每次的最终结果并不能保证就是20000，比如：