前言

今天介紹下volatile關(guān)鍵字，volatile這個(gè)關(guān)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(gè)備受爭議的關(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)。

正文

volatile關(guān)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。由于volatile關(guān)鍵字是與Java的內(nèi)存模型有關(guān)的。所以讓我們先來了解下Java的內(nèi)存模型。

Java內(nèi)存模型

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，而不能直接對主存進(jìn)行操作。并且每個(gè)線程不能訪問其他線程的工作內(nèi)存。如下圖：

看個(gè)例子：

public class VolatileExample extends Thread{
    //設(shè)置類靜態(tài)變量,各線程訪問這同一共享變量
    private  static boolean flag = false;
    //無限循環(huán),等待flag變?yōu)閠rue時(shí)才跳出循環(huán)
   public void run() {
       while (!flag){
       };
       System.out.println("停止了");
   }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        new VolatileExample().start();
        //sleep的目的是等待線程啟動(dòng)完畢,也就是說進(jìn)入run的無限循環(huán)體了
        Thread.sleep(100);
        flag = 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）。
我執(zhí)行后發(fā)現(xiàn)上面的程序一直在while循環(huán)，不會(huì)打印“停止了”這條信息，為什么呢？不是有設(shè)置flag=true嗎？
下面解釋一下這段代碼為何有可能導(dǎo)致無法中斷線程。在前面已經(jīng)解釋過，每個(gè)線程在運(yùn)行過程中都有自己的工作內(nèi)存，那么線程VolatileExample在運(yùn)行的時(shí)候，會(huì)將flag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main更改了flag變量的值之后，但是還沒來得及寫入主存當(dāng)中，線程main轉(zhuǎn)去做其他事情了，那么線程VolatileExample由于不知道線程main對flag變量的更改，因此還會(huì)一直循環(huán)下去。

線程中的三個(gè)概念

1.原子性
在Java中，對基本數(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簡單，但是理解起來并不是那么容易?？聪旅嬉粋€(gè)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

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

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

語句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(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。

不過這里有一點(diǎn)需要注意：在32位平臺(tái)下，對64位數(shù)據(jù)的讀取和賦值是需要通過兩個(gè)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(jīng)保證對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synchronized和Lock來實(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題了，從而保證了原子性。

2.可見性

對于可見性，Java提供了volatile關(guān)鍵字來保證可見性。

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螅裁磿r(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(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指令進(jìn)行重排序，但是重排序過程不會(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volatile關(guān)鍵字來保證一定的“有序性”（具體原理在下一節(jié)講述）。另外可以通過synchronized和Lock來保證有序性，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)行次序無法從happens-before原則推導(dǎo)出來，那么它們就不能保證它們的有序性，虛擬機(jī)可以隨意地對它們進(jìn)行重排序。

下面就來具體介紹下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)生于后面對同一個(gè)鎖額lock操作
• volatile變量規(guī)則：對一個(gè)變量的寫操作先行發(fā)生于后面對這個(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，我們可以通過Thread.join()方法結(jié)束、Thread.isAlive()的返回值手段檢測到線程已經(jīng)終止執(zhí)行
• 對象終結(jié)規(guī)則：一個(gè)對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。

下面我們來解釋一下前4條規(guī)則：

對于程序次序規(guī)則來說，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)則是用來保證程序在單線程中執(zhí)行結(jié)果的正確性，但無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，也就是說無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。

volatile語義

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義：

• 保證了不同線程對這個(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，這新值對其他線程來說是立即可見的。
• 禁止進(jìn)行指令重排序。

所以當(dāng)把上面代碼中變量flag改成下面這樣：

private  static valotile boolean flag = false;

在執(zhí)行的話，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)打印了“停止了”信息，因?yàn)橛胿olatile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main進(jìn)行修改時(shí)，會(huì)導(dǎo)致線程那么線程VolatileExample的工作內(nèi)存中緩存變量flag的緩存行無效（反映到硬件層的話，就是CPU的L1或者L2緩存中對應(yīng)的緩存行無效）；

第三：由于線程那么線程VolatileExample的工作內(nèi)存中緩存變量flag的緩存行無效，所以線程那么線程VolatileExample再次讀取變量flag的值時(shí)會(huì)去主存讀取。

那么在線程main修改flag值時(shí)（當(dāng)然這里包括2個(gè)操作，修改線程main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VolatileExample的工作內(nèi)存中緩存變量flag的緩存行無效，然后線程讀取時(shí)，發(fā)現(xiàn)自己的緩存行無效，它會(huì)等待緩存行對應(yīng)的主存地址被更新之后，然后去對應(yīng)的主存讀取最新的值。

那么線程VolatileExample讀取到的就是最新的正確的值。

使用volatile關(guān)鍵字增加了實(shí)例變量在多個(gè)線程之間的可見性。但是volatile關(guān)鍵字最致命的缺點(diǎn)是不支持原子性。
下面將關(guān)鍵字synchronized和volatile進(jìn)行一下比較：
1）關(guān)鍵字volatile是線程同步的輕量級實(shí)現(xiàn)，所以volatile性能肯定比synchronized要好，并且volatile只能修飾于變量，而synchronized可以修飾方法，以及代碼塊。隨著JDK新版本的發(fā)布，synchronized關(guān)鍵字在執(zhí)行效率上得到很大提升，在開發(fā)中使用synchronized關(guān)鍵字的比率還是比較大的。

2）多線程訪問volatile不會(huì)發(fā)生阻塞，而synchronized會(huì)出現(xiàn)阻塞。

3）volatile能保證數(shù)據(jù)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?yàn)樗鼘⑺接袃?nèi)存和公共內(nèi)存中的數(shù)據(jù)做同步。

4）再次重申一下，關(guān)鍵字volatile解決的是變量在多個(gè)線程之間的可見性；而synchronized關(guān)鍵字解決的是多個(gè)線程之間訪問資源的同步性。

volatile非原子的特性

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，不對啊，上面是對變量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有錯(cuò)，但是上面的程序錯(cuò)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沒辦法保證對變量的操作的原子性。

在前面已經(jīng)提到過，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只是對變量inc進(jìn)行讀取操作，而沒有對變量進(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，不對啊，前面不是保證一個(gè)變量在修改volatile變量時(shí)，會(huì)讓緩存行無效嗎？然后其他線程去讀就會(huì)讀到新的值，對，這個(gè)沒錯(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對變量進(jìn)行讀取操作之后，被阻塞了的話，并沒有對inc值進(jìn)行修改。然后雖然volatile能保證線程2對變量inc的值讀取是從內(nèi)存中讀取的，但是線程1沒有進(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也無法保證對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。

volatile能保證有序性

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)對后面的操作可見；在其后面的操作肯定還沒有進(jìn)行；

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

可能上面說的比較繞，舉個(gè)簡單的例子：

//x、y為非volatile變量
//flag為volatile變量
 
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

由于flag變量為volatile變量，那么在進(jìn)行指令重排序的過程的時(shí)候，不會(huì)將語句3放到語句1、語句2前面，也不會(huì)講語句3放到語句4、語句5后面。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。

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

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：

• 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；

• 它會(huì)強(qiáng)制將對緩存的修改操作立即寫入主存；

• 如果是寫操作，它會(huì)導(dǎo)致其他CPU中對應(yīng)的緩存行無效。

總結(jié)

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)鍵字是無法替代synchronized關(guān)鍵字的，因?yàn)関olatile關(guān)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(gè)條件：

• 對變量的寫操作不依賴于當(dāng)前值

• 該變量沒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)。
設(shè)計(jì)模式中的單例模式中的雙檢查鎖就使用到了volatile關(guān)鍵字，跳轉(zhuǎn)地址如下：
設(shè)計(jì)模式干貨系列：（四）單例模式【學(xué)習(xí)難度：★☆☆☆☆，使用頻率：★★★★☆】

參考

該文為本人學(xué)習(xí)的筆記，方便以后自己跳槽前復(fù)習(xí)。參考網(wǎng)上各大帖子，取其精華整合自己的理解而成。還有，關(guān)注我個(gè)人主頁的公眾號，里面電子書資源有《Java多線程編程核心技術(shù)》以及《深入理解Java虛擬機(jī)》高清版，需要的小伙伴自己取。
《Java多線程編程核心技術(shù)》
《深入理解Java虛擬機(jī)》
Java的多線程機(jī)制系列：(四)不得不提的volatile及指令重排序(happen-before)
Java并發(fā)編程：volatile關(guān)鍵字解析

整理的思維導(dǎo)圖

個(gè)人整理的volatile的思維導(dǎo)圖,導(dǎo)出的圖片無法查看備注的一些信息，所以需要源文件的童鞋可以關(guān)注我個(gè)人主頁上的公眾號，回復(fù)volatile即可獲取源文件。

一直覺得自己寫的不是技術(shù)，而是情懷，一篇篇文章是自己這一路走來的痕跡?？繉I(yè)技能的成功是最具可復(fù)制性的，希望我的這條路能讓你少走彎路，希望我能幫你抹去知識(shí)的蒙塵，希望我能幫你理清知識(shí)的脈絡(luò)，希望未來技術(shù)之巔上有你也有我。