关键字volatile可以说是Java虚拟机提供的最轻量级的同步机制，但是它并不容易被正确、完整地理解，以至于许多程序员都习惯去避免使用它，遇到需要处理多线程数据竞争问题的时候一律使用 synchronized来进行同步。了解volatile变量的语义对后面理解多线程操作的其他特性很有意义
Java内存模型为volatile专门定义了一些特殊的访问规则，在介绍这些比较拗口的规则定义之前， 先用一些不那么正式，但通俗易懂的语言来介绍一下这个关键字的作用。
当一个变量被定义成volatile之后，它将具备两项特性：
- 第一项是保证此变量对所有线程的可见性，这里的“可见性”是当一个线程修改了这个变量的值，volatile 保证了新值能立即同步到主内存，以及线程每次使用前必须从主内存刷新。而普通变量并不能做到这一点，普通变量的值在线程间传递时均需要通过主内存来完成。比如， 线程A修改一个普通变量的值，然后向主内存进行回写，另外一条线程B在线程A回写完成了之后再对 主内存进行读取操作，新变量值才会对线程B可见。
关于volatile变量的可见性，经常会被开发人员误解，他们会误以为下面的描述是正确的：“volatile 变量对所有线程是立即可见的，对volatile变量所有的写操作都能立刻反映到其他线程之中。换句话 说，volatile变量在各个线程中是一致的，所以基于volatile变量的运算在并发下是线程安全的”。这句话 的论据部分并没有错，但是由其论据并不能得出“基于volatile变量的运算在并发下是线程安全的”这样 的结论。volatile变量在各个线程的工作内存中是不存在一致性问题的（从物理存储的角度看，各个线 程的工作内存中volatile变量也可以存在不一致的情况，但由于每次使用之前都要先刷新，执行引擎看 不到不一致的情况，因此可以认为不存在一致性问题），但是Java里面的运算操作符并非原子操作， 这导致volatile变量的运算在并发下一样是不安全的。我们可以通过一段简单的演示来说明原因。
/**
* volatile变量自增运算测试 * *
*/
public class VolatileTest {
public static volatile int race = 0;
public static void increase() {
race++;
}
private static final int THREADS_COUNT = 20;
public static void main(String[] args) {
Thread[] threads = new Thread[THREADS_COUNT];
for (int i = 0; i < THREADS_COUNT; i++) {
threads[i] = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
increase();
}
}
});
threads[i].start();
}
// 等待所有累加线程都结束 while (Thread.activeCount() > 1) Thread.yield();
System.out.println(race);
}
}
这段代码发起了20个线程，每个线程对race变量进行10000次自增操作，如果这段代码能够正确并 发的话，最后输出的结果应该是200000。读者运行完这段代码之后，并不会获得期望的结果，而且会 发现每次运行程序，输出的结果都不一样，都是一个小于200000的数字。这是为什么呢？
问题就出在自增运算“race++”之中，我们用Javap反编译这段代码后会得到代码清单如下所示，发现只有一行代码的increase()方法在Class文件中是由4条字节码指令构成（return指令不是由race++产生 的，这条指令可以不计算），从字节码层面上已经很容易分析出并发失败的原因了：当getstatic指令把 race的值取到操作栈顶时，volatile关键字保证了race的值在此时是正确的，但是在执行iconst_1、iadd这 些指令的时候，其他线程可能已经把race的值改变了，而操作栈顶的值就变成了过期的数据，所以 putstatic指令执行后就可能把较小的race值同步回主内存之中。
//VolatileTest的字节码
public static void increase();
Code:
Stack=2, Locals=0, Args_size=0
0: getstatic #13; //Field race:I
3: iconst_1
4: iadd
5: putstatic #13; //Field race:I
8: return
LineNumberTable:
line 14: 0
line 15: 8
实事求是地说，笔者使用字节码来分析并发问题仍然是不严谨的，因为即使编译出来只有一条字 节码指令，也并不意味执行这条指令就是一个原子操作。一条字节码指令在解释执行时，解释器要运 行许多行代码才能实现它的语义。如果是编译执行，一条字节码指令也可能转化成若干条本地机器码 指令。但是考虑到读者阅读 的方便性，并且字节码已经能很好地说明问题，所以此处使用字节码来解释。
由于volatile变量只能保证可见性，在不符合以下两条规则的运算场景中，我们仍然要通过加锁 （使用synchronized、java.util.concurrent中的锁或原子类）来保证原子性：
-
运算结果并不依赖变量的当前值，或者能够确保只有单一的线程修改变量的值。
-
变量不需要与其他的状态变量共同参与不变约束。
而在像下面这段程序代码所示的这类场景中就很适合使用volatile变量来控制并发，当shutdown()方法被 调用时，能保证所有线程中执行的doWork()方法都立即停下来。
volatile boolean shutdownRequested;
public void shutdown() {
shutdownRequested = true;
}
public void doWork() {
while (!shutdownRequested) { // 代码的业务逻辑
}
}
- 使用volatile变量的第二个特性是禁止指令重排序优化，重排序优化是机器级的优化操作，普通的变量仅会保证在该方法的执行过程 中所有依赖赋值结果的地方都能获取到正确的结果，而不能保证变量赋值操作的顺序与程序代码中的 执行顺序一致。因为在同一个线程的方法执行过程中无法感知到这点，这就是Java内存模型中描述的 所谓“线程内表现为串行的语义”，volatile修饰的变量不会被指令重排序优化，从而保证代码的执行顺序与程序的顺序相同。关于有序性，文章后面会有详细描述和例子说明
一、Java内存模型
想要理解volatile为什么能确保可见性，就要先理解Java中的内存模型是什么样的。
image
这里需要解释几个概念：
1.主内存（Main Memory）
主内存可以简单理解为计算机当中的内存，但又不完全等同。主内存被所有的线程所共享，对于一个共享变量（比如静态变量，或是堆内存中的实例）来说，主内存当中存储了它的“本尊”。
2.工作内存（Working Memory）
工作内存可以简单理解为计算机当中的CPU高速缓存，但又不完全等同。每一个线程拥有自己的工作内存，对于一个共享变量来说，工作内存当中存储了它的“副本”。
线程对共享变量的所有操作都必须在自己的工作内存进行，不能直接读写主内存中的变量。不同线程之间也无法访问彼此的工作内存，变量值的传递只能通过主内存来进行。
注意，这里所讲的主内存、工作内存与Java内存区域中的Java堆、栈、方法区等并不是同一 个层次的对内存的划分，这两者基本上是没有任何关系的。如果两者一定要勉强对应起来，那么从变量、主内存、工作内存的定义来看，主内存主要对应于Java堆中的对象实例数据部分 [4] ，而工作内存 则对应于虚拟机栈中的部分区域。从更基础的层次上说，主内存直接对应于物理硬件的内存，而为了 获取更好的运行速度，虚拟机（或者是硬件、操作系统本身的优化措施）可能会让工作内存优先存储 于寄存器和高速缓存中，因为程序运行时主要访问的是工作内存。
关于主内存与工作内存之间具体的交互协议，即一个变量如何从主内存拷贝到工作内存、如何从 工作内存同步回主内存这一类的实现细节，Java内存模型中定义了以下8种操作来完成。Java虚拟机实 现时必须保证下面提及的每一种操作都是原子的、不可再分的（对于double和long类型的变量来说，load、store、read和write操作在某些平台上允许有例外，这个问题需要专门讨论）
·lock（锁定）：作用于主内存的变量，它把一个变量标识为一条线程独占的状态。
·unlock（解锁）：作用于主内存的变量，它把一个处于锁定状态的变量释放出来，释放后的变量 才可以被其他线程锁定。
·read（读取）：作用于主内存的变量，它把一个变量的值从主内存传输到线程的工作内存中，以 便随后的load动作使用。
·load（载入）：作用于工作内存的变量，它把read操作从主内存中得到的变量值放入工作内存的 变量副本中。
·use（使用）：作用于工作内存的变量，它把工作内存中一个变量的值传递给执行引擎，每当虚 拟机遇到一个需要使用变量的值的字节码指令时将会执行这个操作。
·assign（赋值）：作用于工作内存的变量，它把一个从执行引擎接收的值赋给工作内存的变量， 每当虚拟机遇到一个给变量赋值的字节码指令时执行这个操作。
·store（存储）：作用于工作内存的变量，它把工作内存中一个变量的值传送到主内存中，以便随 后的write操作使用。
·write（写入）：作用于主内存的变量，它把store操作从工作内存中得到的变量的值放入主内存的 变量中。
上面的主内存和工作内存的解释翻译到java里就是这样的：
每一个线程运行时都有一个线程栈，线程栈保存了线程运行时候变量值信息。当线程访问某一个对象成员变量的时候，首先通过对象的引用找到对应在堆内存的变量的值，然后把堆内存变量的具体值load到线程本地内存中，建立一个变量副本，之后该线程就不再和对象在堆内存变量值有任何关系，而是直接修改副本变量的值，在修改完之后的某一个时刻（线程退出之前），自动把线程变量副本的值回写到对象在堆中变量。这样在堆中的对象的值就产生变化了
对于单个线程，拿上面的线程A来说:
image
read and load 从主存复制变量到当前工作内存
use and assign 执行代码，改变共享变量值
store and write 用工作内存数据刷新主存相关内容
其中use and assign 可以多次出现
但是这一些操作并不是原子性，也就是 在read load之后，如果主内存count变量发生修改之后，线程工作内存中的值由于已经加载，不会产生对应的变化，所以计算出来的结果会和预期不一样
基于此种内存模型，便产生了多线程编程中的数据“脏读”等问题。
例如假如线程1，线程2 在进行read,load 操作中，发现主内存中count的值都是1，那么都会加载这个最新的值
在线程1对count进行+1之后，会write到主内存中，主内存中的count变量就会变为2
线程2由于已经进行read,load操作，在进行运算之后，也会更新主内存count的变量值为2
最终结果count的值是2，而不是3。
那么如何确保共享变量在多线程访问时能够正确输出结果呢？
在解决这个问题之前，我们要先了解并发编程的三大概念：原子性，有序性，可见性。
二、原子性
1.定义
原子性：即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。
2.实例
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。
同样地反映到并发编程中会出现什么结果呢？
举个最简单的例子，大家想一下假如为一个32位的变量赋值过程不具备原子性的话，会发生什么后果？
i = 9;
假若一个线程执行到这个语句时，我暂且假设为一个32位的变量赋值包括两个过程：为低16位赋值，为高16位赋值。
那么就可能发生一种情况：当将低16位数值写入之后，突然被中断，而此时又有一个线程去读取i的值，那么读取到的就是错误的数据。
- Java中的原子性
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。
上面一句话虽然看起来简单，但是理解起来并不是那么容易。看下面一个例子i：
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
咋一看，可能会说上面的4个语句中的操作都是原子性操作。其实只有语句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。
所以上面4个语句只有语句1的操作具备原子性。
也就是说，只有简单的读取、赋值（而且必须是将数字赋值给某个变量，变量之间的相互赋值不是原子操作）才是原子操作。
从上面可以看出，Java内存模型只保证了基本读取和赋值是原子性操作，如果要实现更大范围操作的原子性，可以通过synchronized和Lock来实现。由于synchronized和Lock能够保证任一时刻只有一个线程执行该代码块，那么自然就不存在原子性问题了，从而保证了原子性。
关于synchronized和Lock的使用，参考：关于synchronized和ReentrantLock之多线程同步详解
三、可见性
1.定义
对于可见性的定义，文章开头已经做了详细的阐述，可见性是指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。
2.实例
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;
由上面的分析可知，当线程1执行 i =10这句时，会先把i的初始值加载到工作内存中，然后赋值为10，那么在线程1的工作内存当中i的值变为10了，却没有立即写入到主存当中。
此时线程2执行 j = i，它会先去主存读取i的值并加载到线程2的工作内存当中，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。
3.Java中的可见性
对于可见性，Java提供了volatile关键字来保证可见性。
当一个共享变量被volatile修饰时，它会保证一个线程修改了这个变量的值，新值能立即同步到主内存，以及每次使用前必须从主内存刷新。
而普通的共享变量不能保证可见性，因为普通共享变量被修改之后，什么时候被写入主存是不确定的，当其他线程去读取时，此时内存中可能还是原来的旧值，因此无法保证可见性。
另外，通过synchronized和Lock也能够保证可见性，synchronized和Lock能保证同一时刻只有一个线程获取锁然后执行同步代码，并且在释放锁之前会将对变量的修改刷新到主存当中。因此可以保证可见性。
四、有序性
定义：
有序性：即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。
举个简单的例子，看下面这段代码：
int i = 0;
boolean flag = false;
i = 1; //语句1
flag = true; //语句2
上面代码定义了一个int型变量，定义了一个boolean类型变量，然后分别对两个变量进行赋值操作。从代码顺序上看，语句1是在语句2前面的，那么JVM在真正执行这段代码的时候会保证语句1一定会在语句2前面执行吗？不一定，为什么呢？这里可能会发生指令重排序（Instruction Reorder）。
下面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。
比如上面的代码中，语句1和语句2谁先执行对最终的程序结果并没有影响，那么就有可能在执行过程中，语句2先执行而语句1后执行。
但是要注意，虽然处理器会对指令进行重排序，但是它会保证程序最终结果会和代码顺序执行结果相同，那么它靠什么保证的呢？再看下面一个例子：
int a = 10; //语句1
int r = 2; //语句2
a = a + 3; //语句3
r = a*a; //语句4
这段代码有4个语句，那么可能的一个执行顺序是：
image.png
那么可不可能是这个执行顺序呢： 语句2 语句1 语句4 语句3
不可能，因为处理器在进行重排序时是会考虑指令之间的数据依赖性，如果一个指令Instruction 2必须用到Instruction 1的结果，那么处理器会保证Instruction 1会在Instruction 2之前执行。
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);
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，而此是线程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。
网友评论