初识volatile关键字

上次我们已经学习了Synchronized关键字，有兴趣的可以看看：死磕Synchronized实现原理，今天来研究一下volatile关键字，主要有以下知识点：

• 并发编程中的三个概念
• 深入剖析volatile关键字
• volatile的原理和实现机制
• 使用volatile关键字的场景

并发编程中的三个概念

在并发编程中，我们通常会遇到以下三个问题：原子性问题，可见性问题，有序性问题。

原子性

一个操作或者多个操作 要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断，要么就都不执行。

一个很经典的例子就是银行账户转账问题：比如从账户A向账户B转1000元，那么必然包括2个操作：从账户A减去1000元，往账户B加上1000元。试想一下，如果这2个操作不具备原子性，会造成什么样的后果。假如从账户A减去1000元之后，操作突然中止。 这样就会导致账户A虽然减去了1000元，但是账户B没有收到这个转过来的1000元。所以这2个操作必须要具备原子性才能保证不出现一些意外的问题。

可见性

当多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了这个变量的值，其他线程能够立即看得到修改的值。

举个简单的例子，看下面这段代码：

 //线程1执行的代码
 int i = 0;
 i = 10;
 
 //线程2执行的代码
 j = i;

假若执行线程1的是CPU1，执行线程2的是CPU2。当线程1执行 i = 10这句时，会先把i的初始值加载到CPU1的高速缓存中，然后赋值为10，那么在CPU1的高速缓存当中i的值变为10了，却没有立即写入到内存当中。此时线程2执行 j = i，它会先去内存读取i的值并加载到CPU2的缓存当中，注意此时内存当中i的值还是0，那么就会使得j的值为0，而不是10。
这就是可见性问题，线程1对变量i修改了之后，线程2没有立即看到线程1修改的值。

有序性

程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。

首先解释一下什么是指令重排序，一般来说，处理器为了提高程序运行效率，可能会对输入代码进行优化，它不保证程序中各个语句的执行先后顺序同代码中的顺序一致，但是它会保证程序最终执行结果和代码顺序执行的结果是一致的。

虽然重排序不会影响单个线程内程序执行的结果，但是多线程呢？下面看一个例子：

//线程1:
context = loadContext();   //语句1
inited = true;             //语句2
 
//线程2:
while(!inited ){
  sleep()
}
doSomethingwithconfig(context);

上面代码中，由于语句1和语句2没有数据依赖性，因此可能会被重排序。
假如发生了重排序，在线程1执行过程中先执行语句2，而此时线程2会以为初始化工作已经完成，
那么就会跳出while循环，去执行doSomethingwithconfig(context)方法，而此时context并没有被初始化，就会导致程序出错。
　　
从上面可以看出，指令重排序不会影响单个线程的执行，但是会影响到线程并发执行的正确性。
也就是说，要想并发程序正确地执行，必须要保证原子性、可见性以及有序性。只要有一个没有被保证，就有可能会导致程序运行不正确。

深入剖析volatile关键字

性质

• volatile所修饰的变量是直接存在于主内存中的。
• JMM中的内存分为主内存和工作内存，其中主内存是所有线程共享的。而工作内存是每个线程独立分配的，各个线程的工作内存之间相互独立、互不可见。
• 在线程启动的时候，JVM为每个内存分配了一块工作内存，不仅包含了线程内部定义的局部变量，也包含了线程所需要的共享变量的副本，当然这是为了提高执行效率，读副本的比直接读主内存更快。

volatile特性

内存可见性

即线程A对volatile变量的修改，其他线程获取的volatile变量都是最新的。
对于volatile修饰的变量(共享变量)来说，在工作内存发生了变化后，必须要马上写到主内存中，而线程读取到是volatile修饰的变量时，必须去主内存中去获取最新的值，而不是读工作内存中主内存的副本，这就有效的保证了线程之间变量的可见性。

可以禁止指令重排序

那么什么是指令重排序?
为了尽可能减少内存操作速度远慢于CPU运行速度所带来的CPU空置的影响，虚拟机会按照自己的一些规则将程序编写顺序打乱。

volatile能保证原子性吗？

volatile可以保证线程的可见性和有序性，但没办法保证对变量的操作的原子性。

在Java中，对基本数据类型的变量的读取和赋值操作是原子性操作，即这些操作是不可被中断的，要么执行，要么不执行。

请分析以下哪些操作是原子性操作：

  x = 10;        //语句1
  y = x;         //语句2
  x++;           //语句3
  x = x + 1;     //语句4

只有语句1是原子性操作，其他三个语句都不是原子性操作。

语句1是直接将数值10赋值给x，也就是说线程执行这个语句的会直接将数值10写入到工作内存中。
语句2实际上包含2个操作，它先要去读取x的值，再将x的值写入工作内存，虽然读取x的值以及将x的值写入工作内存这2个操作都是原子性操作，但是合起来就不是原子性操作了。
同样的，x++和 x = x+1包括3个操作：读取x的值，进行加1操作，写入新的值。

下面看一个例子：

public class Test {
    public volatile int inc = 0;
     
    public void increase() {
        inc++;
    }
     
    public static void main(String[] args) {
        final Test test = new Test();
        for(int i=0;i<10;i++){
            new Thread(){
                public void run() {
                    for(int j=0;j<1000;j++)
                        test.increase();
                };
            }.start();
        }
         
        while(Thread.activeCount()>1)  //保证前面的线程都执行完
            Thread.yield();
        System.out.println(test.inc);
    }
}

事实上运行它会发现每次运行结果都不一致，都是一个小于10000的数字。上面的程序错在没能保证原子性。

volatile的原理和实现机制

下面这段话摘自《深入理解Java虚拟机》：
观察加入volatile关键字和没有加入volatile关键字时所生成的汇编代码发现，加入volatile关键字时，会多出一个lock前缀指令。
lock前缀指令实际上相当于一个内存屏障，内存屏障会提供3个功能：

• 它确保指令重排序时不会把其后面的指令排到内存屏障之前的位置，也不会把前面的指令排到内存屏障的后面；即在执行到内存屏障这句指令时，在它前面的操作已经全部完成；
• 它会强制将对缓存的修改操作立即写入主存；
• 如果是写操作，它会导致其他CPU中对应的缓存行无效。

使用volatile关键字的场景

synchronized关键字是防止多个线程同时执行一段代码，那么就会很影响程序执行效率，而volatile关键字在某些情况下性能要优于synchronized，但是要注意volatile关键字是无法替代synchronized关键字的，因为volatile关键字无法保证操作的原子性。

通常来说，使用volatile必须具备以下2个条件：

• 对变量的写操作不依赖于当前值
• 该变量没有包含在具有其他变量的不变式中

事实上，我的理解就是上面的2个条件需要保证操作是原子性操作，才能保证使用volatile关键字的程序在并发时能够正确执行。

参考

volatile关键字