volatile這個(gè)關(guān)鍵字可能很多朋友都聽說(shuō)過(guò)，或許也都用過(guò)。在Java 5之前，它是一個(gè)備受爭(zhēng)議的關(guān)鍵字，因?yàn)樵诔绦蛑惺褂盟鶗?huì)導(dǎo)致出人意料的結(jié)果。在Java 5之后，volatile關(guān)鍵字才得以重獲生機(jī)。

volatile關(guān)鍵字雖然從字面上理解起來(lái)比較簡(jiǎn)單，但是要用好不是一件容易的事情。由于volatile關(guān)鍵字是與Java的內(nèi)存模型有關(guān)的，因此在講述volatile關(guān)鍵之前，我們先來(lái)了解一下與內(nèi)存模型相關(guān)的概念和知識(shí)，然后分析了volatile關(guān)鍵字的實(shí)現(xiàn)原理，最后給出了幾個(gè)使用volatile關(guān)鍵字的場(chǎng)景。

以下是本文的目錄大綱：

• 一.內(nèi)存模型的相關(guān)概念
• 二.并發(fā)編程中的三個(gè)概念
• 三.Java內(nèi)存模型
• 四..深入剖析volatile關(guān)鍵字
• 五.使用volatile關(guān)鍵字的場(chǎng)景
  

一.內(nèi)存模型的相關(guān)概念

大家都知道，計(jì)算機(jī)在執(zhí)行程序時(shí)，每條指令都是在CPU中執(zhí)行的，而執(zhí)行指令過(guò)程中，勢(shì)必涉及到數(shù)據(jù)的讀取和寫入。由于程序運(yùn)行過(guò)程中的臨時(shí)數(shù)據(jù)是存放在主存（物理內(nèi)存）當(dāng)中的，這時(shí)就存在一個(gè)問(wèn)題，由于CPU執(zhí)行速度很快，而從內(nèi)存讀取數(shù)據(jù)和向內(nèi)存寫入數(shù)據(jù)的過(guò)程跟CPU執(zhí)行指令的速度比起來(lái)要慢的多，因此如果任何時(shí)候?qū)?shù)據(jù)的操作都要通過(guò)和內(nèi)存的交互來(lái)進(jìn)行，會(huì)大大降低指令執(zhí)行的速度。因此在CPU里面就有了高速緩存。

也就是，當(dāng)程序在運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)將運(yùn)算需要的數(shù)據(jù)從主存復(fù)制一份到CPU的高速緩存當(dāng)中，那么CPU進(jìn)行計(jì)算時(shí)就可以直接從它的高速緩存讀取數(shù)據(jù)和向其中寫入數(shù)據(jù)，當(dāng)運(yùn)算結(jié)束之后，再將高速緩存中的數(shù)據(jù)刷新到主存當(dāng)中。舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，比如下面的這段代碼：

i = i + 1;

當(dāng)線程執(zhí)行這個(gè)語(yǔ)句時(shí)，會(huì)先從主存當(dāng)中讀取i的值，然后復(fù)制一份到高速緩存當(dāng)中，然后CPU執(zhí)行指令對(duì)i進(jìn)行加1操作，然后將數(shù)據(jù)寫入高速緩存，最后將高速緩存中i最新的值刷新到主存當(dāng)中。

這個(gè)代碼在單線程中運(yùn)行是沒(méi)有任何問(wèn)題的，但是在多線程中運(yùn)行就會(huì)有問(wèn)題了。在多核CPU中，每條線程可能運(yùn)行于不同的CPU中，因此每個(gè)線程運(yùn)行時(shí)有自己的高速緩存（對(duì)單核CPU來(lái)說(shuō)，其實(shí)也會(huì)出現(xiàn)這種問(wèn)題，只不過(guò)是以線程調(diào)度的形式來(lái)分別執(zhí)行的）。本文我們以多核CPU為例。

比如同時(shí)有2個(gè)線程執(zhí)行這段代碼，假如初始時(shí)i的值為0，那么我們希望兩個(gè)線程執(zhí)行完之后i的值變?yōu)?。但是事實(shí)會(huì)是這樣嗎？

可能存在下面一種情況：初始時(shí)，兩個(gè)線程分別讀取i的值存入各自所在的CPU的高速緩存當(dāng)中，然后線程1進(jìn)行加1操作，然后把i的最新值1寫入到內(nèi)存。此時(shí)線程2的高速緩存當(dāng)中i的值還是0，進(jìn)行加1操作之后，i的值為1，然后線程2把i的值寫入內(nèi)存。

最終結(jié)果i的值是1，而不是2。這就是著名的緩存一致性問(wèn)題。通常稱這種被多個(gè)線程訪問(wèn)的變量為共享變量。

也就是說(shuō)，如果一個(gè)變量在多個(gè)CPU中都存在緩存（一般在多線程編程時(shí)才會(huì)出現(xiàn)），那么就可能存在緩存不一致的問(wèn)題。

為了解決緩存不一致性問(wèn)題，通常來(lái)說(shuō)有以下2種解決方法：

1）通過(guò)在總線加LOCK#鎖的方式

2）通過(guò)緩存一致性協(xié)議

這2種方式都是硬件層面上提供的方式。

在早期的CPU當(dāng)中，是通過(guò)在總線上加LOCK#鎖的形式來(lái)解決緩存不一致的問(wèn)題。因?yàn)镃PU和其他部件進(jìn)行通信都是通過(guò)總線來(lái)進(jìn)行的，如果對(duì)總線加LOCK#鎖的話，也就是說(shuō)阻塞了其他CPU對(duì)其他部件訪問(wèn)（如內(nèi)存），從而使得只能有一個(gè)CPU能使用這個(gè)變量的內(nèi)存。比如上面例子中 如果一個(gè)線程在執(zhí)行 i = i +1，如果在執(zhí)行這段代碼的過(guò)程中，在總線上發(fā)出了LCOK#鎖的信號(hào)，那么只有等待這段代碼完全執(zhí)行完畢之后，其他CPU才能從變量i所在的內(nèi)存讀取變量，然后進(jìn)行相應(yīng)的操作。這樣就解決了緩存不一致的問(wèn)題。

但是上面的方式會(huì)有一個(gè)問(wèn)題，由于在鎖住總線期間，其他CPU無(wú)法訪問(wèn)內(nèi)存，導(dǎo)致效率低下。

所以就出現(xiàn)了緩存一致性協(xié)議。最出名的就是Intel 的MESI協(xié)議，MESI協(xié)議保證了每個(gè)緩存中使用的共享變量的副本是一致的。它核心的思想是：當(dāng)CPU寫數(shù)據(jù)時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)操作的變量是共享變量，即在其他CPU中也存在該變量的副本，會(huì)發(fā)出信號(hào)通知其他CPU將該變量的緩存行置為無(wú)效狀態(tài)，因此當(dāng)其他CPU需要讀取這個(gè)變量時(shí)，發(fā)現(xiàn)自己緩存中緩存該變量的緩存行是無(wú)效的，那么它就會(huì)從內(nèi)存重新讀取。

二.并發(fā)編程中的三個(gè)概念

在并發(fā)編程中，我們通常會(huì)遇到以下三個(gè)問(wèn)題：原子性問(wèn)題，可見性問(wèn)題，有序性問(wèn)題。我們先看具體看一下這三個(gè)概念：

1.原子性

原子性：即一個(gè)操作或者多個(gè)操作 要么全部執(zhí)行并且執(zhí)行的過(guò)程不會(huì)被任何因素打斷，要么就都不執(zhí)行。

一個(gè)很經(jīng)典的例子就是銀行賬戶轉(zhuǎn)賬問(wèn)題：

比如從賬戶A向賬戶B轉(zhuǎn)1000元，那么必然包括2個(gè)操作：從賬戶A減去1000元，往賬戶B加上1000元。

試想一下，如果這2個(gè)操作不具備原子性，會(huì)造成什么樣的后果。假如從賬戶A減去1000元之后，操作突然中止。然后又從B取出了500元，取出500元之后，再執(zhí)行 往賬戶B加上1000元 的操作。這樣就會(huì)導(dǎo)致賬戶A雖然減去了1000元，但是賬戶B沒(méi)有收到這個(gè)轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)的1000元。

所以這2個(gè)操作必須要具備原子性才能保證不出現(xiàn)一些意外的問(wèn)題。

同樣地反映到并發(fā)編程中會(huì)出現(xiàn)什么結(jié)果呢？

舉個(gè)最簡(jiǎn)單的例子，大家想一下假如為一個(gè)32位的變量賦值過(guò)程不具備原子性的話，會(huì)發(fā)生什么后果？

i = 9;

假若一個(gè)線程執(zhí)行到這個(gè)語(yǔ)句時(shí)，我暫且假設(shè)為一個(gè)32位的變量賦值包括兩個(gè)過(guò)程：為低16位賦值，為高16位賦值。

那么就可能發(fā)生一種情況：當(dāng)將低16位數(shù)值寫入之后，突然被中斷，而此時(shí)又有一個(gè)線程去讀取i的值，那么讀取到的就是錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。

2.可見性

可見性是指當(dāng)多個(gè)線程訪問(wèn)同一個(gè)變量時(shí)，一個(gè)線程修改了這個(gè)變量的值，其他線程能夠立即看得到修改的值。

舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，看下面這段代碼：

//線程1執(zhí)行的代碼
int i = 0;
i = 10;
 
//線程2執(zhí)行的代碼
j = i;

假若執(zhí)行線程1的是CPU1，執(zhí)行線程2的是CPU2。由上面的分析可知，當(dāng)線程1執(zhí)行 i =10這句時(shí)，會(huì)先把i的初始值加載到CPU1的高速緩存中，然后賦值為10，那么在CPU1的高速緩存當(dāng)中i的值變?yōu)?0了，卻沒(méi)有立即寫入到主存當(dāng)中。

此時(shí)線程2執(zhí)行 j = i，它會(huì)先去主存讀取i的值并加載到CPU2的緩存當(dāng)中，注意此時(shí)內(nèi)存當(dāng)中i的值還是0，那么就會(huì)使得j的值為0，而不是10.

這就是可見性問(wèn)題，線程1對(duì)變量i修改了之后，線程2沒(méi)有立即看到線程1修改的值。

3.有序性

有序性：即程序執(zhí)行的順序按照代碼的先后順序執(zhí)行。舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，看下面這段代碼：

int i = 0;       
boolean flag = false;
i = 1;        //語(yǔ)句1 
flag = true;     //語(yǔ)句2

上面代碼定義了一個(gè)int型變量，定義了一個(gè)boolean類型變量，然后分別對(duì)兩個(gè)變量進(jìn)行賦值操作。從代碼順序上看，語(yǔ)句1是在語(yǔ)句2前面的，那么JVM在真正執(zhí)行這段代碼的時(shí)候會(huì)保證語(yǔ)句1一定會(huì)在語(yǔ)句2前面執(zhí)行嗎？不一定，為什么呢？這里可能會(huì)發(fā)生指令重排序（Instruction Reorder）。

下面解釋一下什么是指令重排序，一般來(lái)說(shuō)，處理器為了提高程序運(yùn)行效率，可能會(huì)對(duì)輸入代碼進(jìn)行優(yōu)化，它不保證程序中各個(gè)語(yǔ)句的執(zhí)行先后順序同代碼中的順序一致，但是它會(huì)保證程序最終執(zhí)行結(jié)果和代碼順序執(zhí)行的結(jié)果是一致的。

比如上面的代碼中，語(yǔ)句1和語(yǔ)句2誰(shuí)先執(zhí)行對(duì)最終的程序結(jié)果并沒(méi)有影響，那么就有可能在執(zhí)行過(guò)程中，語(yǔ)句2先執(zhí)行而語(yǔ)句1后執(zhí)行。

但是要注意，雖然處理器會(huì)對(duì)指令進(jìn)行重排序，但是它會(huì)保證程序最終結(jié)果會(huì)和代碼順序執(zhí)行結(jié)果相同，那么它靠什么保證的呢？再看下面一個(gè)例子：

int a = 10;  //語(yǔ)句1
int r = 2;  //語(yǔ)句2
a = a + 3;  //語(yǔ)句3
r = a*a;   //語(yǔ)句4

這段代碼有4個(gè)語(yǔ)句，那么可能的一個(gè)執(zhí)行順序是：

那么可不可能是這個(gè)執(zhí)行順序呢： 語(yǔ)句2   語(yǔ)句1    語(yǔ)句4   語(yǔ)句3

不可能，因?yàn)樘幚砥髟谶M(jìn)行重排序時(shí)是會(huì)考慮指令之間的數(shù)據(jù)依賴性，如果一個(gè)指令I(lǐng)nstruction 2必須用到Instruction 1的結(jié)果，那么處理器會(huì)保證Instruction 1會(huì)在Instruction 2之前執(zhí)行。

雖然重排序不會(huì)影響單個(gè)線程內(nèi)程序執(zhí)行的結(jié)果，但是多線程呢？下面看一個(gè)例子：

//線程1:
context = loadContext();  //語(yǔ)句1
inited = true;       //語(yǔ)句2
 
//線程2:
while(!inited ){
 sleep()
}
doSomethingwithconfig(context);

上面代碼中，由于語(yǔ)句1和語(yǔ)句2沒(méi)有數(shù)據(jù)依賴性，因此可能會(huì)被重排序。假如發(fā)生了重排序，在線程1執(zhí)行過(guò)程中先執(zhí)行語(yǔ)句2，而此是線程2會(huì)以為初始化工作已經(jīng)完成，那么就會(huì)跳出while循環(huán)，去執(zhí)行doSomethingwithconfig(context)方法，而此時(shí)context并沒(méi)有被初始化，就會(huì)導(dǎo)致程序出錯(cuò)。

從上面可以看出，指令重排序不會(huì)影響單個(gè)線程的執(zhí)行，但是會(huì)影響到線程并發(fā)執(zhí)行的正確性。

也就是說(shuō)，要想并發(fā)程序正確地執(zhí)行，必須要保證原子性、可見性以及有序性。只要有一個(gè)沒(méi)有被保證，就有可能會(huì)導(dǎo)致程序運(yùn)行不正確。

三.Java內(nèi)存模型

在前面談到了一些關(guān)于內(nèi)存模型以及并發(fā)編程中可能會(huì)出現(xiàn)的一些問(wèn)題。下面我們來(lái)看一下Java內(nèi)存模型，研究一下Java內(nèi)存模型為我們提供了哪些保證以及在java中提供了哪些方法和機(jī)制來(lái)讓我們?cè)谶M(jìn)行多線程編程時(shí)能夠保證程序執(zhí)行的正確性。

在Java虛擬機(jī)規(guī)范中試圖定義一種Java內(nèi)存模型（Java Memory Model，JMM）來(lái)屏蔽各個(gè)硬件平臺(tái)和操作系統(tǒng)的內(nèi)存訪問(wèn)差異，以實(shí)現(xiàn)讓Java程序在各種平臺(tái)下都能達(dá)到一致的內(nèi)存訪問(wèn)效果。那么Java內(nèi)存模型規(guī)定了哪些東西呢，它定義了程序中變量的訪問(wèn)規(guī)則，往大一點(diǎn)說(shuō)是定義了程序執(zhí)行的次序。注意，為了獲得較好的執(zhí)行性能，Java內(nèi)存模型并沒(méi)有限制執(zhí)行引擎使用處理器的寄存器或者高速緩存來(lái)提升指令執(zhí)行速度，也沒(méi)有限制編譯器對(duì)指令進(jìn)行重排序。也就是說(shuō)，在java內(nèi)存模型中，也會(huì)存在緩存一致性問(wèn)題和指令重排序的問(wèn)題。

Java內(nèi)存模型規(guī)定所有的變量都是存在主存當(dāng)中（類似于前面說(shuō)的物理內(nèi)存），每個(gè)線程都有自己的工作內(nèi)存（類似于前面的高速緩存）。線程對(duì)變量的所有操作都必須在工作內(nèi)存中進(jìn)行，而不能直接對(duì)主存進(jìn)行操作。并且每個(gè)線程不能訪問(wèn)其他線程的工作內(nèi)存。

舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子：在java中，執(zhí)行下面這個(gè)語(yǔ)句：

i = 10;

執(zhí)行線程必須先在自己的工作線程中對(duì)變量i所在的緩存行進(jìn)行賦值操作，然后再寫入主存當(dāng)中。而不是直接將數(shù)值10寫入主存當(dāng)中。

那么Java語(yǔ)言 本身對(duì) 原子性、可見性以及有序性提供了哪些保證呢？

1.原子性

在Java中，對(duì)基本數(shù)據(jù)類型的變量的讀取和賦值操作是原子性操作，即這些操作是不可被中斷的，要么執(zhí)行，要么不執(zhí)行。

上面一句話雖然看起來(lái)簡(jiǎn)單，但是理解起來(lái)并不是那么容易。看下面一個(gè)例子i：

請(qǐng)分析以下哪些操作是原子性操作：

x = 10;     //語(yǔ)句1
y = x;     //語(yǔ)句2
x++;      //語(yǔ)句3
x = x + 1;   //語(yǔ)句4

咋一看，有些朋友可能會(huì)說(shuō)上面的4個(gè)語(yǔ)句中的操作都是原子性操作。其實(shí)只有語(yǔ)句1是原子性操作，其他三個(gè)語(yǔ)句都不是原子性操作。

語(yǔ)句1是直接將數(shù)值10賦值給x，也就是說(shuō)線程執(zhí)行這個(gè)語(yǔ)句的會(huì)直接將數(shù)值10寫入到工作內(nèi)存中。

語(yǔ)句2實(shí)際上包含2個(gè)操作，它先要去讀取x的值，再將x的值寫入工作內(nèi)存，雖然讀取x的值以及 將x的值寫入工作內(nèi)存 這2個(gè)操作都是原子性操作，但是合起來(lái)就不是原子性操作了。

同樣的，x++和 x = x+1包括3個(gè)操作：讀取x的值，進(jìn)行加1操作，寫入新的值。

所以上面4個(gè)語(yǔ)句只有語(yǔ)句1的操作具備原子性。

也就是說(shuō)，只有簡(jiǎn)單的讀取、賦值（而且必須是將數(shù)字賦值給某個(gè)變量，變量之間的相互賦值不是原子操作）才是原子操作。

不過(guò)這里有一點(diǎn)需要注意：在32位平臺(tái)下，對(duì)64位數(shù)據(jù)的讀取和賦值是需要通過(guò)兩個(gè)操作來(lái)完成的，不能保證其原子性。但是好像在最新的JDK中，JVM已經(jīng)保證對(duì)64位數(shù)據(jù)的讀取和賦值也是原子性操作了。

從上面可以看出，Java內(nèi)存模型只保證了基本讀取和賦值是原子性操作，如果要實(shí)現(xiàn)更大范圍操作的原子性，可以通過(guò)synchronized和Lock來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于synchronized和Lock能夠保證任一時(shí)刻只有一個(gè)線程執(zhí)行該代碼塊，那么自然就不存在原子性問(wèn)題了，從而保證了原子性。

2.可見性

對(duì)于可見性，Java提供了volatile關(guān)鍵字來(lái)保證可見性。

當(dāng)一個(gè)共享變量被volatile修飾時(shí)，它會(huì)保證修改的值會(huì)立即被更新到主存，當(dāng)有其他線程需要讀取時(shí)，它會(huì)去內(nèi)存中讀取新值。

而普通的共享變量不能保證可見性，因?yàn)槠胀ü蚕碜兞勘恍薷闹?，什么時(shí)候被寫入主存是不確定的，當(dāng)其他線程去讀取時(shí)，此時(shí)內(nèi)存中可能還是原來(lái)的舊值，因此無(wú)法保證可見性。

另外，通過(guò)synchronized和Lock也能夠保證可見性，synchronized和Lock能保證同一時(shí)刻只有一個(gè)線程獲取鎖然后執(zhí)行同步代碼，并且在釋放鎖之前會(huì)將對(duì)變量的修改刷新到主存當(dāng)中。因此可以保證可見性。

3.有序性

在Java內(nèi)存模型中，允許編譯器和處理器對(duì)指令進(jìn)行重排序，但是重排序過(guò)程不會(huì)影響到單線程程序的執(zhí)行，卻會(huì)影響到多線程并發(fā)執(zhí)行的正確性。

在Java里面，可以通過(guò)volatile關(guān)鍵字來(lái)保證一定的“有序性”（具體原理在下一節(jié)講述）。另外可以通過(guò)synchronized和Lock來(lái)保證有序性，很顯然，synchronized和Lock保證每個(gè)時(shí)刻是有一個(gè)線程執(zhí)行同步代碼，相當(dāng)于是讓線程順序執(zhí)行同步代碼，自然就保證了有序性。

另外，Java內(nèi)存模型具備一些先天的“有序性”，即不需要通過(guò)任何手段就能夠得到保證的有序性，這個(gè)通常也稱為 happens-before 原則。如果兩個(gè)操作的執(zhí)行次序無(wú)法從happens-before原則推導(dǎo)出來(lái)，那么它們就不能保證它們的有序性，虛擬機(jī)可以隨意地對(duì)它們進(jìn)行重排序。

下面就來(lái)具體介紹下happens-before原則（先行發(fā)生原則）：

• 程序次序規(guī)則：一個(gè)線程內(nèi)，按照代碼順序，書寫在前面的操作先行發(fā)生于書寫在后面的操作
• 鎖定規(guī)則：一個(gè)unLock操作先行發(fā)生于后面對(duì)同一個(gè)鎖額lock操作
• volatile變量規(guī)則：對(duì)一個(gè)變量的寫操作先行發(fā)生于后面對(duì)這個(gè)變量的讀操作
• 傳遞規(guī)則：如果操作A先行發(fā)生于操作B，而操作B又先行發(fā)生于操作C，則可以得出操作A先行發(fā)生于操作C
• 線程啟動(dòng)規(guī)則：Thread對(duì)象的start()方法先行發(fā)生于此線程的每個(gè)一個(gè)動(dòng)作
• 線程中斷規(guī)則：對(duì)線程interrupt()方法的調(diào)用先行發(fā)生于被中斷線程的代碼檢測(cè)到中斷事件的發(fā)生
• 線程終結(jié)規(guī)則：線程中所有的操作都先行發(fā)生于線程的終止檢測(cè)，我們可以通過(guò)Thread.join()方法結(jié)束、Thread.isAlive()的返回值手段檢測(cè)到線程已經(jīng)終止執(zhí)行
• 對(duì)象終結(jié)規(guī)則：一個(gè)對(duì)象的初始化完成先行發(fā)生于他的finalize()方法的開始
  

這8條原則摘自《深入理解Java虛擬機(jī)》。

這8條規(guī)則中，前4條規(guī)則是比較重要的，后4條規(guī)則都是顯而易見的。

下面我們來(lái)解釋一下前4條規(guī)則：

對(duì)于程序次序規(guī)則來(lái)說(shuō)，我的理解就是一段程序代碼的執(zhí)行在單個(gè)線程中看起來(lái)是有序的。注意，雖然這條規(guī)則中提到“書寫在前面的操作先行發(fā)生于書寫在后面的操作”，這個(gè)應(yīng)該是程序看起來(lái)執(zhí)行的順序是按照代碼順序執(zhí)行的，因?yàn)樘摂M機(jī)可能會(huì)對(duì)程序代碼進(jìn)行指令重排序。雖然進(jìn)行重排序，但是最終執(zhí)行的結(jié)果是與程序順序執(zhí)行的結(jié)果一致的，它只會(huì)對(duì)不存在數(shù)據(jù)依賴性的指令進(jìn)行重排序。因此，在單個(gè)線程中，程序執(zhí)行看起來(lái)是有序執(zhí)行的，這一點(diǎn)要注意理解。事實(shí)上，這個(gè)規(guī)則是用來(lái)保證程序在單線程中執(zhí)行結(jié)果的正確性，但無(wú)法保證程序在多線程中執(zhí)行的正確性。

第二條規(guī)則也比較容易理解，也就是說(shuō)無(wú)論在單線程中還是多線程中，同一個(gè)鎖如果出于被鎖定的狀態(tài)，那么必須先對(duì)鎖進(jìn)行了釋放操作，后面才能繼續(xù)進(jìn)行l(wèi)ock操作。

第三條規(guī)則是一條比較重要的規(guī)則，也是后文將要重點(diǎn)講述的內(nèi)容。直觀地解釋就是，如果一個(gè)線程先去寫一個(gè)變量，然后一個(gè)線程去進(jìn)行讀取，那么寫入操作肯定會(huì)先行發(fā)生于讀操作。

第四條規(guī)則實(shí)際上就是體現(xiàn)happens-before原則具備傳遞性。

四.深入剖析volatile關(guān)鍵字

在前面講述了很多東西，其實(shí)都是為講述volatile關(guān)鍵字作鋪墊，那么接下來(lái)我們就進(jìn)入主題。

1.volatile關(guān)鍵字的兩層語(yǔ)義

一旦一個(gè)共享變量（類的成員變量、類的靜態(tài)成員變量）被volatile修飾之后，那么就具備了兩層語(yǔ)義：

1）保證了不同線程對(duì)這個(gè)變量進(jìn)行操作時(shí)的可見性，即一個(gè)線程修改了某個(gè)變量的值，這新值對(duì)其他線程來(lái)說(shuō)是立即可見的。

2）禁止進(jìn)行指令重排序。

先看一段代碼，假如線程1先執(zhí)行，線程2后執(zhí)行：

//線程1
boolean stop = false;
while(!stop){
  doSomething();
}
 
//線程2
stop = true;

這段代碼是很典型的一段代碼，很多人在中斷線程時(shí)可能都會(huì)采用這種標(biāo)記辦法。但是事實(shí)上，這段代碼會(huì)完全運(yùn)行正確么？即一定會(huì)將線程中斷么？不一定，也許在大多數(shù)時(shí)候，這個(gè)代碼能夠把線程中斷，但是也有可能會(huì)導(dǎo)致無(wú)法中斷線程（雖然這個(gè)可能性很小，但是只要一旦發(fā)生這種情況就會(huì)造成死循環(huán)了）。

下面解釋一下這段代碼為何有可能導(dǎo)致無(wú)法中斷線程。在前面已經(jīng)解釋過(guò)，每個(gè)線程在運(yùn)行過(guò)程中都有自己的工作內(nèi)存，那么線程1在運(yùn)行的時(shí)候，會(huì)將stop變量的值拷貝一份放在自己的工作內(nèi)存當(dāng)中。

那么當(dāng)線程2更改了stop變量的值之后，但是還沒(méi)來(lái)得及寫入主存當(dāng)中，線程2轉(zhuǎn)去做其他事情了，那么線程1由于不知道線程2對(duì)stop變量的更改，因此還會(huì)一直循環(huán)下去。

但是用volatile修飾之后就變得不一樣了：

第一：使用volatile關(guān)鍵字會(huì)強(qiáng)制將修改的值立即寫入主存；

第二：使用volatile關(guān)鍵字的話，當(dāng)線程2進(jìn)行修改時(shí)，會(huì)導(dǎo)致線程1的工作內(nèi)存中緩存變量stop的緩存行無(wú)效（反映到硬件層的話，就是CPU的L1或者L2緩存中對(duì)應(yīng)的緩存行無(wú)效）；

第三：由于線程1的工作內(nèi)存中緩存變量stop的緩存行無(wú)效，所以線程1再次讀取變量stop的值時(shí)會(huì)去主存讀取。

那么在線程2修改stop值時(shí)（當(dāng)然這里包括2個(gè)操作，修改線程2工作內(nèi)存中的值，然后將修改后的值寫入內(nèi)存），會(huì)使得線程1的工作內(nèi)存中緩存變量stop的緩存行無(wú)效，然后線程1讀取時(shí)，發(fā)現(xiàn)自己的緩存行無(wú)效，它會(huì)等待緩存行對(duì)應(yīng)的主存地址被更新之后，然后去對(duì)應(yīng)的主存讀取最新的值。

那么線程1讀取到的就是最新的正確的值。

2.volatile保證原子性嗎？

從上面知道volatile關(guān)鍵字保證了操作的可見性，但是volatile能保證對(duì)變量的操作是原子性嗎？

下面看一個(gè)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) //保證前面的線程都執(zhí)行完
      Thread.yield();
    System.out.println(test.inc);
  }
}

大家想一下這段程序的輸出結(jié)果是多少？也許有些朋友認(rèn)為是10000。但是事實(shí)上運(yùn)行它會(huì)發(fā)現(xiàn)每次運(yùn)行結(jié)果都不一致，都是一個(gè)小于10000的數(shù)字。

可能有的朋友就會(huì)有疑問(wèn)，不對(duì)啊，上面是對(duì)變量inc進(jìn)行自增操作，由于volatile保證了可見性，那么在每個(gè)線程中對(duì)inc自增完之后，在其他線程中都能看到修改后的值啊，所以有10個(gè)線程分別進(jìn)行了1000次操作，那么最終inc的值應(yīng)該是1000*10=10000。

這里面就有一個(gè)誤區(qū)了，volatile關(guān)鍵字能保證可見性沒(méi)有錯(cuò)，但是上面的程序錯(cuò)在沒(méi)能保證原子性?？梢娦灾荒鼙ＷC每次讀取的是最新的值，但是volatile沒(méi)辦法保證對(duì)變量的操作的原子性。

在前面已經(jīng)提到過(guò)，自增操作是不具備原子性的，它包括讀取變量的原始值、進(jìn)行加1操作、寫入工作內(nèi)存。那么就是說(shuō)自增操作的三個(gè)子操作可能會(huì)分割開執(zhí)行，就有可能導(dǎo)致下面這種情況出現(xiàn)：

假如某個(gè)時(shí)刻變量inc的值為10，

線程1對(duì)變量進(jìn)行自增操作，線程1先讀取了變量inc的原始值，然后線程1被阻塞了；

然后線程2對(duì)變量進(jìn)行自增操作，線程2也去讀取變量inc的原始值，由于線程1只是對(duì)變量inc進(jìn)行讀取操作，而沒(méi)有對(duì)變量進(jìn)行修改操作，所以不會(huì)導(dǎo)致線程2的工作內(nèi)存中緩存變量inc的緩存行無(wú)效，所以線程2會(huì)直接去主存讀取inc的值，發(fā)現(xiàn)inc的值時(shí)10，然后進(jìn)行加1操作，并把11寫入工作內(nèi)存，最后寫入主存。

然后線程1接著進(jìn)行加1操作，由于已經(jīng)讀取了inc的值，注意此時(shí)在線程1的工作內(nèi)存中inc的值仍然為10，所以線程1對(duì)inc進(jìn)行加1操作后inc的值為11，然后將11寫入工作內(nèi)存，最后寫入主存。

那么兩個(gè)線程分別進(jìn)行了一次自增操作后，inc只增加了1。

解釋到這里，可能有朋友會(huì)有疑問(wèn)，不對(duì)啊，前面不是保證一個(gè)變量在修改volatile變量時(shí)，會(huì)讓緩存行無(wú)效嗎？然后其他線程去讀就會(huì)讀到新的值，對(duì)，這個(gè)沒(méi)錯(cuò)。這個(gè)就是上面的happens-before規(guī)則中的volatile變量規(guī)則，但是要注意，線程1對(duì)變量進(jìn)行讀取操作之后，被阻塞了的話，并沒(méi)有對(duì)inc值進(jìn)行修改。然后雖然volatile能保證線程2對(duì)變量inc的值讀取是從內(nèi)存中讀取的，但是線程1沒(méi)有進(jìn)行修改，所以線程2根本就不會(huì)看到修改的值。

根源就在這里，自增操作不是原子性操作，而且volatile也無(wú)法保證對(duì)變量的任何操作都是原子性的。

把上面的代碼改成以下任何一種都可以達(dá)到效果：

采用synchronized：

public class Test {
  public int inc = 0;
  
  public synchronized 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) //保證前面的線程都執(zhí)行完
      Thread.yield();
    System.out.println(test.inc);
  }
}

采用Lock：

public class Test {
  public int inc = 0;
  Lock lock = new ReentrantLock();
  
  public void increase() {
    lock.lock();
    try {
      inc++;
    } finally{
      lock.unlock();
    }
  }
  
  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) //保證前面的線程都執(zhí)行完
      Thread.yield();
    System.out.println(test.inc);
  }
}

采用AtomicInteger：

public class Test {
  public AtomicInteger inc = new AtomicInteger();
   
  public void increase() {
    inc.getAndIncrement();
  }
  
  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) //保證前面的線程都執(zhí)行完
      Thread.yield();
    System.out.println(test.inc);
  }
}

在java 1.5的java.util.concurrent.atomic包下提供了一些原子操作類，即對(duì)基本數(shù)據(jù)類型的 自增（加1操作），自減（減1操作）、以及加法操作（加一個(gè)數(shù)），減法操作（減一個(gè)數(shù)）進(jìn)行了封裝，保證這些操作是原子性操作。atomic是利用CAS來(lái)實(shí)現(xiàn)原子性操作的（Compare And Swap），CAS實(shí)際上是利用處理器提供的CMPXCHG指令實(shí)現(xiàn)的，而處理器執(zhí)行CMPXCHG指令是一個(gè)原子性操作。

3.volatile能保證有序性嗎？

在前面提到volatile關(guān)鍵字能禁止指令重排序，所以volatile能在一定程度上保證有序性。

volatile關(guān)鍵字禁止指令重排序有兩層意思：

1）當(dāng)程序執(zhí)行到volatile變量的讀操作或者寫操作時(shí)，在其前面的操作的更改肯定全部已經(jīng)進(jìn)行，且結(jié)果已經(jīng)對(duì)后面的操作可見；在其后面的操作肯定還沒(méi)有進(jìn)行；

2）在進(jìn)行指令優(yōu)化時(shí)，不能將在對(duì)volatile變量訪問(wèn)的語(yǔ)句放在其后面執(zhí)行，也不能把volatile變量后面的語(yǔ)句放到其前面執(zhí)行。

可能上面說(shuō)的比較繞，舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子：

//x、y為非volatile變量
//flag為volatile變量
 
x = 2;    //語(yǔ)句1
y = 0;    //語(yǔ)句2
flag = true; //語(yǔ)句3
x = 4;     //語(yǔ)句4
y = -1;    //語(yǔ)句5

由于flag變量為volatile變量，那么在進(jìn)行指令重排序的過(guò)程的時(shí)候，不會(huì)將語(yǔ)句3放到語(yǔ)句1、語(yǔ)句2前面，也不會(huì)講語(yǔ)句3放到語(yǔ)句4、語(yǔ)句5后面。但是要注意語(yǔ)句1和語(yǔ)句2的順序、語(yǔ)句4和語(yǔ)句5的順序是不作任何保證的。

并且volatile關(guān)鍵字能保證，執(zhí)行到語(yǔ)句3時(shí)，語(yǔ)句1和語(yǔ)句2必定是執(zhí)行完畢了的，且語(yǔ)句1和語(yǔ)句2的執(zhí)行結(jié)果對(duì)語(yǔ)句3、語(yǔ)句4、語(yǔ)句5是可見的。

那么我們回到前面舉的一個(gè)例子：

//線程1:
context = loadContext();  //語(yǔ)句1
inited = true;       //語(yǔ)句2
 
//線程2:
while(!inited ){
 sleep()
}
doSomethingwithconfig(context);

前面舉這個(gè)例子的時(shí)候，提到有可能語(yǔ)句2會(huì)在語(yǔ)句1之前執(zhí)行，那么久可能導(dǎo)致context還沒(méi)被初始化，而線程2中就使用未初始化的context去進(jìn)行操作，導(dǎo)致程序出錯(cuò)。

這里如果用volatile關(guān)鍵字對(duì)inited變量進(jìn)行修飾，就不會(huì)出現(xiàn)這種問(wèn)題了，因?yàn)楫?dāng)執(zhí)行到語(yǔ)句2時(shí)，必定能保證context已經(jīng)初始化完畢。

4.volatile的原理和實(shí)現(xiàn)機(jī)制

前面講述了源于volatile關(guān)鍵字的一些使用，下面我們來(lái)探討一下volatile到底如何保證可見性和禁止指令重排序的。

下面這段話摘自《深入理解Java虛擬機(jī)》：

“觀察加入volatile關(guān)鍵字和沒(méi)有加入volatile關(guān)鍵字時(shí)所生成的匯編代碼發(fā)現(xiàn)，加入volatile關(guān)鍵字時(shí)，會(huì)多出一個(gè)lock前綴指令”

lock前綴指令實(shí)際上相當(dāng)于一個(gè)內(nèi)存屏障（也成內(nèi)存柵欄），內(nèi)存屏障會(huì)提供3個(gè)功能：

1）它確保指令重排序時(shí)不會(huì)把其后面的指令排到內(nèi)存屏障之前的位置，也不會(huì)把前面的指令排到內(nèi)存屏障的后面；即在執(zhí)行到內(nèi)存屏障這句指令時(shí)，在它前面的操作已經(jīng)全部完成；

2）它會(huì)強(qiáng)制將對(duì)緩存的修改操作立即寫入主存；

3）如果是寫操作，它會(huì)導(dǎo)致其他CPU中對(duì)應(yīng)的緩存行無(wú)效。

五.使用volatile關(guān)鍵字的場(chǎng)景

synchronized關(guān)鍵字是防止多個(gè)線程同時(shí)執(zhí)行一段代碼，那么就會(huì)很影響程序執(zhí)行效率，而volatile關(guān)鍵字在某些情況下性能要優(yōu)于synchronized，但是要注意volatile關(guān)鍵字是無(wú)法替代synchronized關(guān)鍵字的，因?yàn)関olatile關(guān)鍵字無(wú)法保證操作的原子性。通常來(lái)說(shuō)，使用volatile必須具備以下2個(gè)條件：

1）對(duì)變量的寫操作不依賴于當(dāng)前值

2）該變量沒(méi)有包含在具有其他變量的不變式中

實(shí)際上，這些條件表明，可以被寫入 volatile 變量的這些有效值獨(dú)立于任何程序的狀態(tài)，包括變量的當(dāng)前狀態(tài)。

事實(shí)上，我的理解就是上面的2個(gè)條件需要保證操作是原子性操作，才能保證使用volatile關(guān)鍵字的程序在并發(fā)時(shí)能夠正確執(zhí)行。

下面列舉幾個(gè)Java中使用volatile的幾個(gè)場(chǎng)景。

1.狀態(tài)標(biāo)記量

volatile boolean flag = false;
 
while(!flag){
  doSomething();
}
 
public void setFlag() {
  flag = true;
}

volatile boolean inited = false;
//線程1:
context = loadContext(); 
inited = true;      
 
//線程2:
while(!inited ){
sleep()
}
doSomethingwithconfig(context);

2.double check

class Singleton{
  private volatile static Singleton instance = null;
   
  private Singleton() {
     
  }
   
  public static Singleton getInstance() {
    if(instance==null) {
      synchronized (Singleton.class) {
        if(instance==null)
          instance = new Singleton();
      }
    }
    return instance;
  }
}

參考資料：

《Java編程思想》

《深入理解Java虛擬機(jī)》

以上就是本文的全部?jī)?nèi)容，希望對(duì)大家的學(xué)習(xí)有所幫助，也希望大家多多支持腳本之家。