Java并發程式設計——為什麼要用volatile關鍵字

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日常程式設計中出現 volatile 關鍵字的頻率并不高，大家可能對 volatile 關鍵字比較陌生，再深入一點也許是聽聞 volatile 隻能保證可見性而不能保證原子性，無法有效保證線程安全，于是更加避免使用 volatile ，簡簡單單加上synchronize關鍵字就完事了。本文稍微深入探讨 volatile 關鍵字，分析其作用及對應的使用場景。

并發程式設計的幾個概念簡述

首先簡單介紹幾個與并發程式設計相關的概念：

• 可見性

  可見性是指變量線上程之間是否可見，JVM 中預設情況下線程之間不具備可見性。

• 原子性

  對于 a = 0 操作是屬于原子操作，但 a = a + 1 則不是原子操作，因為這裡涉及到要先讀取原來 a 的值，然後再為 a 加 1 ，當涉及多線程同時執行該語句時，會出現值不穩定的情況，是以非原子操作在并發場景下是不安全的。

• 有序性

  java 記憶體模型中允許編譯器和處理器進行指令重排優化，重排過程中不會影響單個線程的指令執行順序，但會影響多線程環境中的運作正确性

• 指令重排

  在多核 CPU 的情況下，為了充分利用時間片，提高指令執行效率，處理器會根據一定規則對指令進行重排序，由于規則的限定，指令重排後理論上最終運作結果不變。

volatile 的主要作用

volatile 的主要作用是實作可見性 和禁止指令重排

1. 實作可見性

   在 JVM 記憶體模型中記憶體分為主記憶體和工作記憶體，各線程有獨自的工作記憶體，對于要操作的資料會從主記憶體拷貝一份到工作記憶體中，預設情況下工作記憶體是互相獨立的，也就是線程之間不可見，而 volatile 最重要的作用之一就是使變量實作可見性。

2. 禁止指令重排

   雖然指令重排理論上不會影響執行結果的正确性，但指令重排隻能保證底層的機器語言重排序後結果正确，而對于Java進階語言，是以在沒有幹預的情況下并不能確定每條語句在編譯對應的指令重排後與期望的執行效果一緻。

對于以下示例，由于 ready 沒有指定 volatile ，當變量 ready 線程間不可見時，可能導緻線程中讀不到 ready 的新值，無法停止循環；如果指令重排序，可能線上程執行前變量 ready 已指派為 true ，導緻線程内容不列印。

public class NoVisibility {
    private static boolean ready;
    private static int number;
    private static class ReaderThread extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            while(!ready) {
                Thread.yield();
            }
            System.out.println("1");
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        new ReaderThread().start();
        ready = true;
    }
}
           

為什麼volatile不能保證線程安全？

想要線程安全必須保證原子性，可見性，有序性，而 volatile 隻能保證可見性和有序性。

volatile 字段主要是讓線程從主記憶體中擷取值進而保證可見性，但是CPU中還有一層高速緩存——寄存器，對于非原子性操作，在底層指令運算中還是會出現資料緩存導緻運算結果不正确的情況，進而無法保證線程安全。

簡單來說，volatile 在多 cpu 環境下不能保證其它 cpu 的緩存同步重新整理，是以無法保證原子性。

為什麼不直接用synchronized

synchronized 可保證原子性、可見性、有序性，能有效保證線程安全，但是有個缺點是性能開銷較大，而 volatile 是輕量級的線程安全實作方案，在某些特定場合下也能保證線程安全。由于 synchronized 的便捷性，也容易導緻 synchronized 的濫用。

雙重檢查鎖

因為 volatile 不能簡易的實作線程安全，需要有較深入的了解才能正确使用，是以 volatile也顯得更為複雜，使用頻率也較低，而 volatile 的一個典型使用例子是雙重檢查鎖模式。

雙重檢查鎖通常用于單例模式或延遲指派的場景，其代碼通常如下

public class Singleton {
    private volatile static Singleton uniqueSingleton; // 1. 為變量添加volatile修飾符

    private Singleton() {
    }

    public Singleton getInstance() {
        if (null == uniqueSingleton) { //2. 第一重檢查
            synchronized (Singleton.class) { // 3. synchronized加鎖
                if (null == uniqueSingleton) { // 4. 第二重檢查
                    uniqueSingleton = new Singleton();
                }
            }
        }
        return uniqueSingleton;
    }
}
           

以下是對這段代碼的一些疑問及解答：

Q: 為什麼不在 getInstance 方法直接加 synchronized ？

A: 隻有在第一次初始化時才需要加鎖，如果在getInstance方法上加鎖則每次擷取執行個體時都會對整段代碼塊加鎖，影響性能

Q: 為什麼需要雙重檢查？

A: 如果多線程同時通過了第一次檢查，其中一個線程需要通過了第二次檢查才進行執行個體化對象，其餘線程在後續等待擷取到鎖後則判斷到變量非空，跳過指派操作。

Q: 為什麼 uniqueSingleton 需要添加volatile關鍵字？

A: 對于 uniqueSingleton = new Singleton();語句，實際上可以分解成以下三個步驟：

1. 配置設定記憶體空間
2. 初始化對象
3. 将對象指向剛配置設定的記憶體空間

但是有些編譯器為了性能的原因，可能會将第二步和第三步進行重排序，順序就成了：

現在考慮重排序後，兩個線程發生了以下調用：

Time	Thread A	Thread B
T1	檢查到uniqueSingleton為空
T2	擷取鎖
T3	再次檢查到uniqueSingleton為空
T4	為uniqueSingleton配置設定記憶體空間
T5	将uniqueSingleton指向記憶體空間
T6	檢查到uniqueSingleton不為空
T7	通路uniqueSingleton（此時對象還未完成初始化）
T8	初始化uniqueSingleton

在這裡添加volatile關鍵字主要是避免在對象未完整完成對象建立就已經被其他線程讀取，造成空指針異常。

總結

1. volatile 的主要作用是實作可見性和禁止指令重排。
2. 線程安全需要滿足可見性、有序性、原子性。
3. volatile 可以保證可見性和有序性，但是無法保證原子性，是以是線程不安全的。（非原子操作可能會導緻資料緩存在CPU的cache中，産生資料不一緻）
4. synchronized 關鍵字雖然可以保證可見性、有序性、原子性，而且用法簡單，但是性能開銷大。
5. 雙重檢查鎖模式是 volatile 的典型使用場景，雙重檢查鎖通常用于實作單例模式或延遲指派。

參考

Java中Volatile關鍵字詳解

java volatile關鍵字解惑

為什麼雙重檢查鎖模式需要 volatile ？

Java中的雙重檢查鎖（double checked locking）

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