前言

有时仅仅为了读/写一个或者两个实例就使用同步的话，显得开销过大；而volatile关键字为实例域的同步访问提供了免锁的机制。如果声明一个域为volatile，那么编译器和虚拟机就知道该域可能是被另一个线程并非更新的。在说到volatile关键字之前，我们需要先了解下内存模型的相关概念以及兵法编程中的3个特性：原子性、可见性和有序性。

1. Java内存模型

Java中的堆内存用来存储对象实例，堆内存是被所有线程共享的运行时内存区域，因此它存在内存可见性的问题。而局部变量、方法定义的参数则不会再线程之间共享，它们不会有内存可见性问题，也不受内存模型影响。Java内存模型定义了线程和主存之间的抽象关系：线程之间的共享变量存储在主存中，每个线程都有一个私有的本地内存，本地内存中存储了该共享变量的副本。需要注意的是本地内存是Java内存模型的一个抽象概念，其实并不真实存在，它涵盖了缓存、写缓冲区、寄存器等区域。Java内存模型控制线程之间的通信，它决定一个线程对主存共享变量的写入何时对另一个线程可见。

2. 原子性、可见性和有序性

2.1. 原子性

对基本数据类型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，要么执行完毕，要么就不执行。现在看看下面的代码：

x = 3;//语句1
y = x;//语句2
x++;//语句3

在上面3个语句中，只有语句1是原子性操作，其它两个都不是原子性操作。语句2虽说很短，但它包含了两个操作，它先读取x的值，再将x的值写入工作内存。读取x的值以及将x的值写入工作内存这两个操作单拿出来都是原子性操作，但是合起来就不是原子性操作了。语句3包括3个操作：读取x的值、对x的值进行加1、向工作内存写入新值。通过这3个语句我们得知，一个语句含有多个操作时，就不是原子性操作，只有简单的读取和赋值操作才是原子性操作。

2.2. 可见性

这里的可见性指的是线程之间的可见性，一个线程修改的状态对另一个线程是可见的。也就是一个线程修改的结果，另一个线程马上能看到。当一个共享变量被volatile修饰时，它会保证修改的值立即被更新到主存，所以对其它线程时可见的。当有其它线程需要读取该值时，其它线程会去主存中读取新值。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，并不会立即被写入主存，何时被写入主存也是不确定的。当其他线程去读取该值时，此时主存中可能还是原来的旧值，这样就无法保证可见性。

2.3. 有序性

Java内存模型中允许编译器和处理器对指令进行重排序，虽然重排序的过程不会影响线程执行的正确性，但是会影响到多线程并发执行的正确性。我们知道，synchronized和Lock保证每个时刻只有一个线程执行同步代码，这相当于让线程顺序执行同步代码，从而保证了有序性。

3. volatile关键字

3.1. 保证可见性，禁止进行指令重排序

一旦一个共享变量（类的成员变量、类的静态成员变量）被volatile修饰之后，那么就具备了两层语义：

• 保证了不同线程对这个变量进行操作时的可见性，即一个线程修改了某个变量的值，这新值对其他线程来说是立即可见的。
• 禁止进行指令重排序。

先看一段代码，假如线程1先执行，线程2后执行：

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

很多人在中断线程时可能都会采用这种标记办法。但是事实上，这段代码会完全运行正确么？即一定会将线程中断么？不一定，也许在大多数时候，这个代码能够把线程中断，但是也有可能会导致无法中断线程（虽然这个可能性很小，但是只要一旦发生这种情况就会造成死循环了）。 为何有可能导致无法中断线程？每个线程在运行过程中都有自己的工作内存，那么线程1在运行的时候，会将stop变量的值拷贝一份放在自己的工作内存当中。那么当线程2更改了stop变量的值之后，但是还没来得及写入主存当中，线程2转去做其他事情了，那么线程1由于不知道线程2对stop变量的更改，因此还会一直循环下去。 但是用volatile修饰之后就变得不一样了：

• 使用volatile关键字会强制将修改的值立即写入主存；
• 使用volatile关键字的话，当线程2进行修改时，会导致线程1的工作内存中缓存变量stop的缓存行无效；
• 由于线程1的工作内存中缓存变量stop的缓存行无效，所以线程1再次读取变量stop的值时会去主存读取。

3.2. volatile不保证原子性

public class VolatileTest {
    public volatile int inc = 0;

    public void increase() {
        inc++;
    }

    public static void main(String[] args) {
        final VolatileTest test = new VolatileTest();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread() {
                @Override
                public void run() {
                    for (int j = 0; j < 100; j++) {
                    test.increase();
                }
                }
            }.start();
        }
        //如果有子线程就让出资源，保证所有子线程都执行完
        while (Thread.activeCount() > 2) {
            Thread.yield();
        }
        System.out.println(test.inc);
    }
}

这段代码每次运行，结果都不一致。在前面已经提过，自增操作是不具备原子性的，它包括读取变量的原始值、进行加1、写入工作内存。也就是说，自增操作的这3个子操作可能会分割开执行。假如某个时刻变量inc的值为9，线程1对变量进行自增操作，线程1先读取了变量inc的原始值，然后线程1被阻塞了。之后线程2对变量进行自增操作，也去读取变量inc的原始值，然后进行加1操作，并把10写入工作内存，最后写入主存。随后线程1接着进行加1操作，因为线程1在此前已经读取了inc的值为9，所以不会再去主存读取最新的数值，线程1对inc进行加1操作后inc的值为10，然后将10写入工作内存，最后写入主存。两个线程分别对inc进行了一次自增操作后，inc的值只增加了1，因此自增操作不是原子性操作，volatile也无法保证对变量的操作是原子性的。

4. 正确使用volatile关键字

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

第一个条件就是不能是自增自减等操作，上文已经提到volatile不保证原子性。 第二个条件我们来举个例子它包含了一个不变式 ：下界总是小于或等于上界。

public class NumberRange {
    private volatile int lower, upper;
    public int getLower(){
        return lower;
    }
    public int getUpper(){
        return upper;
    }
    public void setLower(int value){
        if (value > upper){
            throw new IllegalArgumentException("...");
        }
        lower = value;
    }
    public void setUpper(int value){
        if (value < lower){
            throw new IllegalArgumentException("...");
        }
        upper = value;
    }
}

这种方式限制了范围的状态变量，因此将 lower 和 upper 字段定义为 volatile 类型不能够充分实现类的线程安全，从而仍然需要使用同步。否则，如果凑巧两个线程在同一时间使用不一致的值执行 setLower 和 setUpper 的话，则会使范围处于不一致的状态。例如，如果初始状态是 (0, 5)，同一时间内，线程 A 调用 setLower(4) 并且线程 B 调用 setUpper(3)，显然这两个操作交叉存入的值是不符合条件的，那么两个线程都会通过用于保护不变式的检查，使得最后的范围值是 (4, 3)，这显然是不对的。 其实就是要保证操作的原子性就可以使用volatile，使用volatile主要有两个场景:

4.1. 状态标志

public class Shutdown {
    volatile boolean shutdownRequested;
    public void shutdown(){
        shutdownRequested = true;
    }
    
    private void doWork(){
        while (!shutdownRequested){
            //do something
        }
    }
}

4.2. 双重检查模式

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

在这里使用volatile会或多或少的影响性能，但考虑到程序的正确性，牺牲这点性能还是值得的。 DCL优点是资源利用率高，第一次执行getInstance时单例对象才被实例化，效率高。缺点是第一次加载时反应稍慢一些，在高并发环境下也有一定的缺陷，虽然发生的概率很小。 DCL虽然在一定程度解决了资源的消耗和多余的同步，线程安全等问题，但是他还是在某些情况会出现失效的问题，也就是DCL失效，在《java并发编程实践》一书建议用以下的代码(静态内部类单例模式）来替代DCL：

public class Singleton {

    private Singleton(){}
    public static Singleton getInstance(){
        return SingletonHolder.instance;
    }
    public static class SingletonHolder{
        private static final Singleton instance = new Singleton();
    }
}

总结

与锁相比，Volatile 变量是一种非常简单但同时又非常脆弱的同步机制，它在某些情况下将提供优于锁的性能和伸缩性。如果严格遵循 volatile 的使用条件即变量真正独立于其他变量和自己以前的值 ，在某些情况下可以使用 volatile 代替 synchronized 来简化代码。然而，使用 volatile 的代码往往比使用锁的代码更加容易出错。本文介绍了可以使用 volatile 代替 synchronized 的最常见的两种用例，其他的情况我们最好还是去使用synchronized 。