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Java中volatile关键字的作用是什么举例详解

2025-05-14 07:35:51 111

前言

volatile是 java 中的一个关键字，用于修饰变量。它提供了可见性和禁止指令重排的特性，但不保证原子性。

1. 可见性 (visibility)

问题背景：在多线程环境下，每个线程都有自己的工作内存（例如 cpu 缓存），线程对共享变量的读写操作可能不是直接在主内存中进行的，而是在工作内存中进行的。这可能导致一个线程修改了共享变量的值，而其他线程却看不到这个修改，从而读取到过期的值。
volatile的作用：当一个变量被volatile修饰时，它会保证：
- 写操作：当一个线程修改了volatile变量的值，这个新值会立即被刷新到主内存中。
- 读操作：当一个线程读取volatile变量时，它会从主内存中读取最新的值，而不是从自己的工作内存中读取。
实现原理：volatile通过内存屏障 (memory barrier)来实现可见性。内存屏障是一种 cpu 指令，它可以阻止编译器和 cpu 对指令进行重排序，并强制将工作内存中的数据刷新到主内存，或从主内存读取数据。

代码示例：

public class volatilevisibilityexample {
    private static volatile boolean flag = false;
 // private static boolean flag = false; 如果不使用volatile,可能出现线程1无法停止的情况

    public static void main(string[] args) throws interruptedexception {
        thread thread1 = new thread(() -> {
            while (!flag) {
                // ... (循环执行某些操作) ...
            }
            system.out.println("thread 1 stopped.");
        });

        thread thread2 = new thread(() -> {
            try {
                thread.sleep(1000); // 让 thread1 先执行
            } catch (interruptedexception e) {
                e.printstacktrace();
            }
            flag = true; // 修改 flag 的值
            system.out.println("thread 2 set flag to true.");
        });

        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}

2. 禁止指令重排 (ordering)

问题背景：为了优化性能，编译器和 cpu 可能会对指令的执行顺序进行重排序（reordering），只要不影响单线程程序的执行结果。但在多线程环境下，指令重排可能导致程序出现意外的行为。
volatile的作用：volatile关键字可以禁止特定类型的指令重排：
- 写后读：不能将volatile变量的写操作重排到读操作之后。
- 写后写：不能将volatile变量的写操作重排到另一个volatile变量的写操作之后。
- 读后读/写:不能将volatile变量的读操作重排到另一个volatile变量的读操作或写操作之后。
实现原理：volatile通过插入特定类型的内存屏障来禁止指令重排。例如，在volatile变量的写操作之后会插入一个storestore屏障，在读操作之前会插入一个loadload屏障，以及可能的storeload屏障。

双重检查锁定 (double-checked locking) 的例子：volatile经常用于双重检查锁定模式，以防止指令重排导致的问题。

//单例模式
public class singleton{
    //使用volatile禁止instance = new singleton()的指令重排
    private static volatile singleton instance;

    private singleton(){}

    public static singleton getinstance(){
        if(instance == null){ //第一次检查
            synchronized(singleton.class){
                if(instance == null){ //第二次检查,防止多个线程同时通过第一次检查
                    instance = new singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

3. 不保证原子性 (atomicity)

重要说明：volatile不保证操作的原子性。原子性指的是一个操作是不可分割的，要么全部执行，要么不执行，不会出现执行一半的情况。
例子：volatile变量的自增操作 (i++) 不是原子性的。它实际上包含了三个步骤：读取i的值、将i的值加 1、将新值写回i。在多线程环境下，这三个步骤之间可能会被其他线程打断，导致结果错误。
**解决：**如果需要保证原子性，可以使用synchronized、reentrantlock或原子类（如atomicinteger）。

总结：

volatile关键字用于修饰变量，提供可见性和禁止指令重排的特性。
可见性保证线程对volatile变量的读写操作都是直接在主内存中进行的。
禁止指令重排防止编译器和 cpu 对volatile变量相关的指令进行重排序。
volatile不保证原子性。
volatile通常用于状态标志、双重检查锁定等场景。

问题分析：

这个问题考察了对volatile关键字的理解，包括它的作用、特性（可见性、禁止指令重排）以及局限性（不保证原子性）。回答时需要清晰地解释这些概念，并提供一些代码示例来说明问题。

与其他问题的知识点联系：

什么是 java 内存模型（jmm）？volatile是 java 内存模型 (jmm) 的一部分，它定义了线程和主内存之间的交互规则。
什么是 java 中的原子性、可见性和有序性？volatile提供了可见性和有序性（禁止指令重排），但不保证原子性。
什么是 java 的 happens-before 规则？volatile变量的写操作 happens-before 于后续对该变量的读操作。
什么是 java 中的指令重排？volatile可以禁止特定类型的指令重排。
java 中的 synchronized 是怎么实现的？synchronized提供了原子性、可见性和有序性。在某些情况下，volatile可以作为synchronized的一种轻量级替代方案（如果只需要保证可见性和有序性）。
你使用过 java 中的哪些原子类？原子类（如atomicinteger）提供了原子操作，可以用来替代volatile+ 额外同步的方案。
java 中的 final 关键字是否能保证变量的可见性？final关键字可以保证可见性。