原本地址：Java多執行緒乾貨系列—（四）volatile關鍵字
部落格地址：tengj.top/
前言
今天介紹下volatile關鍵字，volatile這個關鍵字可能很多朋友都聽說過，或許也都用過。在Java 5之前，它是一個備受爭議的關鍵字，因為在程式中使用它往往會導致出人意料的結果。在Java 5之後，volatile關鍵字才得以重獲生機。
正文
volatile關鍵字雖然從字面上理解起來比較簡單，但是要用好不是一件容易的事情。由於volatile關鍵字是與Java的記憶體模型有關的。所以讓我們先來了解下Java的記憶體模型。
Java記憶體模型
Java記憶體模型規定所有的變數都是存在主存當中（類似於前面說的實體記憶體），每個執行緒都有自己的工作記憶體（類似於前面的快取記憶體）。執行緒對變數的所有操作都必須在工作記憶體中進行，而不能直接對主存進行操作。並且每個執行緒不能訪問其他執行緒的工作記憶體。如下圖：
看個例子：
public class VolatileExample extends Thread{
//設定類靜態變數,各執行緒訪問這同一共享變數
private static boolean flag = false;
//無限迴圈,等待flag變為true時才跳出迴圈
public void run() {
while (!flag){
};
System.out.println("停止了");
}
public static void main(String[] args) throws Exception {
new VolatileExample().start();
//sleep的目的是等待執行緒啟動完畢,也就是說進入run的無限迴圈體了
Thread.sleep(100);
flag = true;
}
}複製程式碼這段程式碼是很典型的一段程式碼，很多人在中斷執行緒時可能都會採用這種標記辦法。但是事實上，這段程式碼會完全執行正確麼？即一定會將執行緒中斷麼？不一定，也許在大多數時候，這個程式碼能夠把執行緒中斷，但是也有可能會導致無法中斷執行緒（雖然這個可能性很小，但是隻要一旦發生這種情況就會造成死迴圈了）。
我執行後發現上面的程式一直在while迴圈，不會列印“停止了”這條資訊，為什麼呢？不是有設定flag=true嗎？
下面解釋一下這段程式碼為何有可能導致無法中斷執行緒。在前面已經解釋過，每個執行緒在執行過程中都有自己的工作記憶體，那麼執行緒VolatileExample在執行的時候，會將flag變數的值拷貝一份放在自己的工作記憶體當中。
那麼當執行緒main更改了flag變數的值之後，但是還沒來得及寫入主存當中，執行緒main轉去做其他事情了，那麼執行緒VolatileExample由於不知道執行緒main對flag變數的更改，因此還會一直迴圈下去。
執行緒中的三個概念
1.原子性
在Java中，對基本資料型別的變數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，要麼執行，要麼不執行。
上面一句話雖然看起來簡單，但是理解起來並不是那麼容易。看下面一個例子i：
請分析以下哪些操作是原子性操作：
x = 10; //語句1
y = x; //語句2
x++; //語句3
x = x + 1; //語句4複製程式碼咋一看，有些朋友可能會說上面的4個語句中的操作都是原子性操作。其實只有語句1是原子性操作，其他三個語句都不是原子性操作。
語句1是直接將數值10賦值給x，也就是說執行緒執行這個語句的會直接將數值10寫入到工作記憶體中。
語句2實際上包含2個操作，它先要去讀取x的值，再將x的值寫入工作記憶體，雖然讀取x的值以及 將x的值寫入工作記憶體 這2個操作都是原子性操作，但是合起來就不是原子性操作了。
同樣的，x++和 x = x+1包括3個操作：讀取x的值，進行加1操作，寫入新的值。
所以上面4個語句只有語句1的操作具備原子性。
也就是說，只有簡單的讀取、賦值（而且必須是將數字賦值給某個變數，變數之間的相互賦值不是原子操作）才是原子操作。
不過這裡有一點需要注意：在32位平臺下，對64位資料的讀取和賦值是需要通過兩個操作來完成的，不能保證其原子性。但是好像在最新的JDK中，JVM已經保證對64位資料的讀取和賦值也是原子性操作了。
從上面可以看出，Java記憶體模型只保證了基本讀取和賦值是原子性操作，如果要實現更大範圍操作的原子性，可以通過synchronized和Lock來實現。由於synchronized和Lock能夠保證任一時刻只有一個執行緒執行該程式碼塊，那麼自然就不存在原子性問題了，從而保證了原子性。
2.可見性
對於可見性，Java提供了volatile關鍵字來保證可見性。
當一個共享變數被volatile修飾時，它會保證修改的值會立即被更新到主存，當有其他執行緒需要讀取時，它會去記憶體中讀取新值。
而普通的共享變數不能保證可見性，因為普通共享變數被修改之後，什麼時候被寫入主存是不確定的，當其他執行緒去讀取時，此時記憶體中可能還是原來的舊值，因此無法保證可見性。
另外，通過synchronized和Lock也能夠保證可見性，synchronized和Lock能保證同一時刻只有一個執行緒獲取鎖然後執行同步程式碼，並且在釋放鎖之前會將對變數的修改重新整理到主存當中。因此可以保證可見性。
3.有序性
在Java記憶體模型中，允許編譯器和處理器對指令進行重排序，但是重排序過程不會影響到單執行緒程式的執行，卻會影響到多執行緒併發執行的正確性。
在Java裡面，可以通過volatile關鍵字來保證一定的“有序性”（具體原理在下一節講述）。另外可以通過synchronized和Lock來保證有序性，很顯然，synchronized和Lock保證每個時刻是有一個執行緒執行同步程式碼，相當於是讓執行緒順序執行同步程式碼，自然就保證了有序性。
另外，Java記憶體模型具備一些先天的“有序性”，即不需要通過任何手段就能夠得到保證的有序性，這個通常也稱為 happens-before 原則。如果兩個操作的執行次序無法從happens-before原則推匯出來，那麼它們就不能保證它們的有序性，虛擬機器可以隨意地對它們進行重排序。
下面就來具體介紹下happens-before原則（先行發生原則）：
- 程式次序規則：一個執行緒內，按照程式碼順序，書寫在前面的操作先行發生於書寫在後面的操作
- 鎖定規則：一個unLock操作先行發生於後面對同一個鎖額lock操作
- volatile變數規則：對一個變數的寫操作先行發生於後面對這個變數的讀操作
- 傳遞規則：如果操作A先行發生於操作B，而操作B又先行發生於操作C，則可以得出操作A先行發生於操作C
- 執行緒啟動規則：Thread物件的start()方法先行發生於此執行緒的每個一個動作
- 執行緒中斷規則：對執行緒interrupt()方法的呼叫先行發生於被中斷執行緒的程式碼檢測到中斷事件的發生
- 執行緒終結規則：執行緒中所有的操作都先行發生於執行緒的終止檢測，我們可以通過Thread.join()方法結束、Thread.isAlive()的返回值手段檢測到執行緒已經終止執行
- 物件終結規則：一個物件的初始化完成先行發生於他的finalize()方法的開始
這8條原則摘自《深入理解Java虛擬機器》。
這8條規則中，前4條規則是比較重要的，後4條規則都是顯而易見的。
下面我們來解釋一下前4條規則：
對於程式次序規則來說，我的理解就是一段程式程式碼的執行在單個執行緒中看起來是有序的。注意，雖然這條規則中提到“書寫在前面的操作先行發生於書寫在後面的操作”，這個應該是程式看起來執行的順序是按照程式碼順序執行的，因為虛擬機器可能會對程式程式碼進行指令重排序。雖然進行重排序，但是最終執行的結果是與程式順序執行的結果一致的，它只會對不存在資料依賴性的指令進行重排序。因此，在單個執行緒中，程式執行看起來是有序執行的，這一點要注意理解。事實上，這個規則是用來保證程式在單執行緒中執行結果的正確性，但無法保證程式在多執行緒中執行的正確性。
第二條規則也比較容易理解，也就是說無論在單執行緒中還是多執行緒中，同一個鎖如果出於被鎖定的狀態，那麼必須先對鎖進行了釋放操作，後面才能繼續進行lock操作。
第三條規則是一條比較重要的規則，也是後文將要重點講述的內容。直觀地解釋就是，如果一個執行緒先去寫一個變數，然後一個執行緒去進行讀取，那麼寫入操作肯定會先行發生於讀操作。
第四條規則實際上就是體現happens-before原則具備傳遞性。
volatile語義
一旦一個共享變數（類的成員變數、類的靜態成員變數）被volatile修飾之後，那麼就具備了兩層語義：
- 保證了不同執行緒對這個變數進行操作時的可見性，即一個執行緒修改了某個變數的值，這新值對其他執行緒來說是立即可見的。
- 禁止進行指令重排序。
所以當把上面程式碼中變數flag改成下面這樣：
private static valotile boolean flag = false;複製程式碼在執行的話，你就會發現列印了“停止了”資訊，因為用volatile修飾之後就變得不一樣了：
第一：使用volatile關鍵字會強制將修改的值立即寫入主存；
第二：使用volatile關鍵字的話，當執行緒main進行修改時，會導致執行緒那麼執行緒VolatileExample的工作記憶體中快取變數flag的快取行無效（反映到硬體層的話，就是CPU的L1或者L2快取中對應的快取行無效）；
第三：由於執行緒那麼執行緒VolatileExample的工作記憶體中快取變數flag的快取行無效，所以執行緒那麼執行緒VolatileExample再次讀取變數flag的值時會去主存讀取。
那麼線上程main修改flag值時（當然這裡包括2個操作，修改執行緒main工作記憶體中的值，然後將修改後的值寫入記憶體），會使得執行緒VolatileExample的工作記憶體中快取變數flag的快取行無效，然後執行緒讀取時，發現自己的快取行無效，它會等待快取行對應的主存地址被更新之後，然後去對應的主存讀取最新的值。
那麼執行緒VolatileExample讀取到的就是最新的正確的值。
使用volatile關鍵字增加了例項變數在多個執行緒之間的可見性。但是volatile關鍵字最致命的缺點是不支援原子性。
下面將關鍵字synchronized和volatile進行一下比較：
1）關鍵字volatile是執行緒同步的輕量級實現，所以volatile效能肯定比synchronized要好，並且volatile只能修飾於變數，而synchronized可以修飾方法，以及程式碼塊。隨著JDK新版本的釋出，synchronized關鍵字在執行效率上得到很大提升，在開發中使用synchronized關鍵字的比率還是比較大的。
2）多執行緒訪問volatile不會發生阻塞，而synchronized會出現阻塞。
3）volatile能保證資料的可見性，但不能保證原子性；而synchronized可以保證原子性，也可以間接保證可見性，因為它將私有記憶體和公共記憶體中的資料做同步。
4）再次重申一下，關鍵字volatile解決的是變數在多個執行緒之間的可見性；而synchronized關鍵字解決的是多個執行緒之間訪問資源的同步性。
volatile非原子的特性
從上面知道volatile關鍵字保證了操作的可見性，但是volatile能保證對變數的操作是原子性嗎？
下面看一個例子：
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) //保證前面的執行緒都執行完
Thread.yield();
System.out.println(test.inc);
}
}複製程式碼大家想一下這段程式的輸出結果是多少？也許有些朋友認為是10000。但是事實上執行它會發現每次執行結果都不一致，都是一個小於10000的數字。
可能有的朋友就會有疑問，不對啊，上面是對變數inc進行自增操作，由於volatile保證了可見性，那麼在每個執行緒中對inc自增完之後，在其他執行緒中都能看到修改後的值啊，所以有10個執行緒分別進行了1000次操作，那麼最終inc的值應該是1000*10=10000。
這裡面就有一個誤區了，volatile關鍵字能保證可見性沒有錯，但是上面的程式錯在沒能保證原子性。可見性只能保證每次讀取的是最新的值，但是volatile沒辦法保證對變數的操作的原子性。
在前面已經提到過，自增操作是不具備原子性的，它包括讀取變數的原始值、進行加1操作、寫入工作記憶體。那麼就是說自增操作的三個子操作可能會分割開執行，就有可能導致下面這種情況出現：
假如某個時刻變數inc的值為10，
執行緒1對變數進行自增操作，執行緒1先讀取了變數inc的原始值，然後執行緒1被阻塞了；
然後執行緒2對變數進行自增操作，執行緒2也去讀取變數inc的原始值，由於執行緒1只是對變數inc進行讀取操作，而沒有對變數進行修改操作，所以不會導致執行緒2的工作記憶體中快取變數inc的快取行無效，所以執行緒2會直接去主存讀取inc的值，發現inc的值時10，然後進行加1操作，並把11寫入工作記憶體，最後寫入主存。
然後執行緒1接著進行加1操作，由於已經讀取了inc的值，注意此時線上程1的工作記憶體中inc的值仍然為10，所以執行緒1對inc進行加1操作後inc的值為11，然後將11寫入工作記憶體，最後寫入主存。
那麼兩個執行緒分別進行了一次自增操作後，inc只增加了1。
解釋到這裡，可能有朋友會有疑問，不對啊，前面不是保證一個變數在修改volatile變數時，會讓快取行無效嗎？然後其他執行緒去讀就會讀到新的值，對，這個沒錯。這個就是上面的happens-before規則中的volatile變數規則，但是要注意，執行緒1對變數進行讀取操作之後，被阻塞了的話，並沒有對inc值進行修改。然後雖然volatile能保證執行緒2對變數inc的值讀取是從記憶體中讀取的，但是執行緒1沒有進行修改，所以執行緒2根本就不會看到修改的值。
根源就在這裡，自增操作不是原子性操作，而且volatile也無法保證對變數的任何操作都是原子性的。
把上面的程式碼改成以下任何一種都可以達到效果：
採用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) //保證前面的執行緒都執行完
Thread.yield();
System.out.println(test.inc);
}
}複製程式碼採用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) //保證前面的執行緒都執行完
Thread.yield();
System.out.println(test.inc);
}
}複製程式碼採用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) //保證前面的執行緒都執行完
Thread.yield();
System.out.println(test.inc);
}
}複製程式碼在java 1.5的java.util.concurrent.atomic包下提供了一些原子操作類，即對基本資料型別的 自增（加1操作），自減（減1操作）、以及加法操作（加一個數），減法操作（減一個數）進行了封裝，保證這些操作是原子性操作。atomic是利用CAS來實現原子性操作的（Compare And Swap），CAS實際上是利用處理器提供的CMPXCHG指令實現的，而處理器執行CMPXCHG指令是一個原子性操作。
volatile能保證有序性
在前面提到volatile關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關鍵字禁止指令重排序有兩層意思：
1）當程式執行到volatile變數的讀操作或者寫操作時，在其前面的操作的更改肯定全部已經進行，且結果已經對後面的操作可見；在其後面的操作肯定還沒有進行；
2）在進行指令優化時，不能將在對volatile變數訪問的語句放在其後面執行，也不能把volatile變數後面的語句放到其前面執行。
可能上面說的比較繞，舉個簡單的例子：
//x、y為非volatile變數
//flag為volatile變數
x = 2; //語句1
y = 0; //語句2
flag = true; //語句3
x = 4; //語句4
y = -1; //語句5複製程式碼由於flag變數為volatile變數，那麼在進行指令重排序的過程的時候，不會將語句3放到語句1、語句2前面，也不會講語句3放到語句4、語句5後面。但是要注意語句1和語句2的順序、語句4和語句5的順序是不作任何保證的。
並且volatile關鍵字能保證，執行到語句3時，語句1和語句2必定是執行完畢了的，且語句1和語句2的執行結果對語句3、語句4、語句5是可見的。
4.volatile的原理和實現機制
前面講述了源於volatile關鍵字的一些使用，下面我們來探討一下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虛擬機器》：
“觀察加入volatile關鍵字和沒有加入volatile關鍵字時所生成的彙編程式碼發現，加入volatile關鍵字時，會多出一個lock字首指令”
lock字首指令實際上相當於一個記憶體屏障（也成記憶體柵欄），記憶體屏障會提供3個功能：
它確保指令重排序時不會把其後面的指令排到記憶體屏障之前的位置，也不會把前面的指令排到記憶體屏障的後面；即在執行到記憶體屏障這句指令時，在它前面的操作已經全部完成；
它會強制將對快取的修改操作立即寫入主存；
如果是寫操作，它會導致其他CPU中對應的快取行無效。
總結
synchronized關鍵字是防止多個執行緒同時執行一段程式碼，那麼就會很影響程式執行效率，而volatile關鍵字在某些情況下效能要優於synchronized，但是要注意volatile關鍵字是無法替代synchronized關鍵字的，因為volatile關鍵字無法保證操作的原子性。通常來說，使用volatile必須具備以下2個條件：
對變數的寫操作不依賴於當前值
該變數沒有包含在具有其他變數的不變式中
實際上，這些條件表明，可以被寫入 volatile 變數的這些有效值獨立於任何程式的狀態，包括變數的當前狀態。
設計模式中的單例模式中的雙檢查鎖就使用到了volatile關鍵字，跳轉地址如下：
設計模式乾貨系列：（四）單例模式【學習難度：★☆☆☆☆，使用頻率：★★★★☆】
參考
該文為本人學習的筆記，方便以後自己跳槽前複習。參考網上各大帖子，取其精華整合自己的理解而成。還有，關注我個人主頁的公眾號，裡面電子書資源有《Java多執行緒程式設計核心技術》以及《深入理解Java虛擬機器》高清版，需要的小夥伴自己取。
《Java多執行緒程式設計核心技術》
《深入理解Java虛擬機器》
Java的多執行緒機制系列：(四)不得不提的volatile及指令重排序(happen-before)
Java併發程式設計：volatile關鍵字解析
整理的思維導圖
個人整理的volatile的思維導圖,匯出的圖片無法檢視備註的一些資訊，所以需要原始檔的童鞋可以關注我個人主頁上的公眾號，回覆volatile即可獲取原始檔。
一直覺得自己寫的不是技術，而是情懷，一篇篇文章是自己這一路走來的痕跡。靠專業技能的成功是最具可複製性的，希望我的這條路能讓你少走彎路，希望我能幫你抹去知識的蒙塵，希望我能幫你理清知識的脈絡，希望未來技術之巔上有你也有我。有空也可到我個人部落格來看看~
訂閱博主微信公眾號：嘟爺java超神學堂（javaLearn）三大好處：
- 獲取最新博主部落格更新資訊，首發公眾號
- 獲取大量視訊，電子書，精品破解軟體資源
- 可以跟博主聊天，歡迎程式媛妹妹來撩我
