1、引言
在多線程併發編程中synchronized和Volatile都扮演着重要的角色，Volatile是輕量級的synchronized，它在多處理器開發中保證了共享變量的“可見性”。可見性的意思是當一個線程修改一個共享變量時，另外一個線程能讀到這個修改的值。它在某些情況下比synchronized的開銷更小，下面我們將深入分析Voliate的實現原理。
2、Volatile定義
java編程語言允許線程訪問共享變量，爲了確保共享變量能被準確和一致的更新，線程應該確保通過排他鎖單獨獲得這個變量。Java語言提供了volatile，在某些情況下比鎖更加方便。如果一個字段被聲明成volatile，java線程內存模型確保所有線程看到這個變量的值是一致的。volatile可以保證線程可見性且提供了一定的有序性，但是無法保證原子性。在JVM底層volatile是採用“內存屏障”來實現的。
即一旦一個共享變量（類的成員變量、類的靜態成員變量）被volatile修飾之後，那麼就具備了兩層語義：
（1）保證了不同線程對這個變量進行操作時的可見性，即一個線程修改了某個變量的值，這新值對其他線程來說是立即可見的。保證可見性、不保證原子性。
（2）禁止進行指令重排序。
關於這兩層語義的詳細情況，如果不是很理解，可以看博文：併發編程——原子性，可見性和有序性
3、爲什麼要使用Volatile
Volatile變量修飾符如果使用恰當的話，它比synchronized的使用和執行成本會更低，因爲它不會引起線程上下文的切換和調度。
4、Voliate保證可見性
先看一段代碼，假如線程1先執行，線程2後執行：
//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可能都會採用這種標記辦法。但是事實上，這段代碼會完全運行正確麼？即一定會將線程中斷麼？不一定，也許在大多數時候，這個代碼能夠把線程中斷，但是也有可能會導致無法中斷線程（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循環了）。下面解釋一下這段代碼爲何有可能導致無法中斷線程。
前面文章 Java內存模型 中我們說過，每個線程在運行過程中都有自己的工作內存，那麼線程1在運行的時候，會將stop變量的值拷貝一份放在自己的工作內存當中。那麼當線程2更改了stop變量的值之後，但是還沒來得及寫入主存當中，線程2轉去做其他事情了，那麼線程1由於不知道線程2對stop變量的更改，因此還會一直循環下去。
但是用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，當線程2進行修改時，會導致線程1的工作內存中緩存變量stop的緩存行無效（反映到硬件層的話，就是CPU的L1或者L2緩存中對應的緩存行無效）；
第三：由於線程1的工作內存中緩存變量stop的緩存行無效，所以線程1再次讀取變量stop的值時會去主存讀取。
那麼在線程2修改stop值時（當然這裏包括2個操作，修改線程2工作內存中的值，然後將修改後的值寫入內存），會使得線程1的工作內存中緩存變量stop的緩存行無效，然後線程1讀取時，發現自己的緩存行無效，它會等待緩存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。那麼線程1讀取到的就是最新的正確的值。
5、volatile不能保證原子性
Volatile不保證對變量的操作是原子性，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) //保證前面的線程都執行完
Thread.yield();
System.out.println(test.inc);
}
}
上面程序的輸出有人認爲是10000。但是事實上運行它會發現每次運行結果都不一致，都是一個小於10000的數字。可能有人就會有疑問，不對啊，上面是對變量inc進行自增操作，由於volatile保證了可見性，那麼在每個線程中對inc自增完之後，在其他線程中都能看到修改後的值啊，所以有10個線程分別進行了1000次操作，那麼最終inc的值應該是1000*10=10000。
這裏面就有一個誤區了，volatile關鍵字能保證可見性沒有錯，但是上面的程序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沒辦法保證對變量的操作的原子性。在前面已經提到過，自增操作是不具備原子性的，它包括讀取變量的原始值、進行加1操作、寫入工作內存。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：
（1）假如某個時刻變量inc的值爲10，線程1對變量進行自增操作，線程1先讀取了變量inc的原始值，然後線程1被阻塞了；
（2）然後線程2對變量進行自增操作，線程2也去讀取變量inc的原始值，由於線程1只是對變量inc進行讀取操作，而沒有對變量進行修改操作，所以不會導致線程2的工作內存中緩存變量inc的緩存行無效，所以線程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寫入工作內存，最後寫入主存。
（3）然後線程1接着進行加1操作，由於已經讀取了inc的值，注意此時在線程1的工作內存中inc的值仍然爲10，所以線程1對inc進行加1操作後inc的值爲11，然後將11寫入工作內存，最後寫入主存。
（4）那麼兩個線程分別進行了一次自增操作後，inc只增加了1。
解釋到這裏，可能有朋友會有疑問，不對啊，前面不是保證一個變量在修改volatile變量時，會讓緩存行無效嗎？然後其他線程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變量規則，但是要注意，線程1對變量進行讀取操作之後，被阻塞了的話，並沒有對inc值進行修改。然後雖然volatile能保證線程2對變量inc的值讀取是從內存中讀取的，但是線程1沒有進行修改，所以線程2根本就不會看到修改的值。
根源就在這裏，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到效果：
5.1 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) //保證前面的線程都執行完
Thread.yield();
System.out.println(test.inc);
}
}
5.2 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) //保證前面的線程都執行完
Thread.yield();
System.out.println(test.inc);
}
}
5.3 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) //保證前面的線程都執行完
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，即對基本數據類型的 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。
6、volatile一定程度保證有序性
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）當程序執行到volatile變量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變量訪問的語句放在其後面執行，也不能把volatile變量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爲非volatile變量
//flag爲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
由於flag變量爲volatile變量，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。那麼我們回到前面舉的一個例子：
//線程1:
context = loadContext(); //語句1
inited = true; //語句2
//線程2:
while(!inited ){
sleep()
}
doSomethingwithconfig(context);
前面舉這個例子的時候，提到有可能語句2會在語句1之前執行，那麼就可能導致context還沒被初始化，而線程2中就使用未初始化的context去進行操作，導致程序出錯。這裏如果用volatile關鍵字對inited變量進行修飾，就不會出現這種問題了，因爲當執行到語句2時，必定能保證context已經初始化完畢。
7、volatile的實現機制和原理
7.1 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。在x86處理器下通過工具獲取JIT編譯器生成的彙編指令來看看對Volatile進行寫操作CPU會做什麼事情。
Java代碼: instance = new Singleton();//instance是volatile變量
彙編代碼: 0x01a3de1d: movb
觀察加入volatile關鍵字和沒有加入volatile關鍵字時所生成的彙編代碼發現，加入volatile關鍵字時，會多出一個lock前綴指令。lock前綴指令實際上相當於一個內存屏障（也成內存柵欄），內存屏障會提供3個功能：
（1）它確保指令重排序時不會把其後面的指令排到內存屏障之前的位置，也不會把前面的指令排到內存屏障的後面；即在執行到內存屏障這句指令時，在它前面的操作已經全部完成；
（2）它會強制將對緩存的修改操作立即寫入主內存；
（3）如果是寫操作，它會導致其他CPU中對應的緩存行無效。
7.2 實現原理
7.2.1 可見性
處理器爲了提高處理速度，不直接和內存進行通訊，而是將系統內存的數據獨到內部緩存後再進行操作，但操作完後不知什麼時候會寫到內存。
如果對聲明瞭volatile變量進行寫操作時，JVM會向處理器發送一條Lock前綴的指令，將這個變量所在緩存行的數據寫會到系統內存。這一步確保瞭如果有其他線程對聲明瞭volatile變量進行修改，則立即更新主內存中數據。
但這時候其他處理器的緩存還是舊的，所以在多處理器環境下，爲了保證各個處理器緩存一致，每個處理會通過嗅探在總線上傳播的數據來檢查 自己的緩存是否過期，當處理器發現自己緩存行對應的內存地址被修改了，就會將當前處理器的緩存行設置成無效狀態，當處理器要對這個數據進行修改操作時，會強制重新從系統內存把數據讀到處理器緩存裏。 這一步確保了其他線程獲得的聲明瞭volatile變量都是從主內存中獲取最新的。
7.2.2 有序性
Lock前綴指令實際上相當於一個內存屏障（也成內存柵欄），它確保指令重排序時不會把其後面的指令排到內存屏障之前的位置，也不會把前面的指令排到內存屏障的後面；即在執行到內存屏障這句指令時，在它前面的操作已經全部完成。
8、使用volatile關鍵字的場景
synchronized關鍵字是防止多個線程同時執行一段代碼，那麼就會很影響程序執行效率，而volatile關鍵字在某些情況下性能要優於synchronized，但是要注意volatile關鍵字是無法替代synchronized關鍵字的，因爲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：
（1）對變量的寫操作不依賴於當前值
（2）該變量沒有包含在具有其他變量的不變式中
實際上，這些條件表明，可以被寫入volatile變量的這些有效值獨立於任何程序的狀態，包括變量的當前狀態。即實際就是上面的2個條件需要保證操作是原子性操作，才能保證使用volatile關鍵字的程序在併發時能夠正確執行。下面列舉Java中使用volatile的幾個場景。
8.1 狀態標記量
volatile boolean inited = false;
//線程1:
context = loadContext();
inited = true;
//線程2:
while(!inited ){
sleep();
}
doSomethingwithconfig(context);
8.2 double check（單例模式）
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;
}
}
這裏爲什麼要使用volatile修飾instance？主要在於instance = new Singleton()這句，這並非是一個原子操作，事實上在JVM中這句話大概做了下面3件事情:
（1）給instance分配內存
（2）調用Singleton的構造函數來初始化成員變量
（3）將instance對象指向分配的內存空間（執行完這步instance就爲非null了）。
但是在JVM的即時編譯器中存在指令重排序的優化。也就是說上面的第二步和第三步的順序是不能保證的，最終的執行順序可能是 1-2-3 也可能是 1-3-2。如果是後者，則在3執行完畢、2未執行之前，被線程二搶佔了，這時instance已經是非null了（但卻沒有初始化），所以線程二會直接返回instance，然後使用，然後順理成章地報錯。
9、Volatile的使用優化
在使用Volatile變量時，用一種追加字節的方式來優化隊列出隊和入隊的性能。追加字節能優化性能？這種方式看起來很神奇，但如果深入理解處理器架構就能理解其中的奧祕。讓我們先來看看LinkedTransferQueue這個類，它使用一個內部類類型來定義隊列的頭隊列（Head）和尾節點（tail），而這個內部類PaddedAtomicReference相對於父類AtomicReference只做了一件事情，就將共享變量追加到64字節。我們可以來計算下，一個對象的引用佔4個字節，它追加了15個變量共佔60個字節，再加上父類的Value變量，一共64個字節。
/* head of the queue /
private transient final PaddedAtomicReference head;
/* tail of the queue /
private transient final PaddedAtomicReference tail;
static final class PaddedAtomicReference extends AtomicReference {
// enough padding for 64bytes with 4byte refs
Object p0, p1, p2, p3, p4, p5, p6, p7, p8, p9, pa, pb, pc, pd, pe;
PaddedAtomicReference(T r) {
super(r);
}
}
public class AtomicReference implements java.io.Serializable {
private volatile V value;
//省略其他代碼
}
爲什麼追加64字節能夠提高併發編程的效率呢？ 因爲對於英特爾酷睿i7，酷睿， Atom和NetBurst， Core Solo和Pentium M處理器的L1，L2或L3緩存的高速緩存行是64個字節寬，不支持部分填充緩存行，這意味着如果隊列的頭節點和尾節點都不足64字節的話，處理器會將它們都讀到同一個高速緩存行中，在多處理器下每個處理器都會緩存同樣的頭尾節點，當一個處理器試圖修改頭接點時會將整個緩存行鎖定，那麼在緩存一致性機制的作用下，會導致其他處理器不能訪問自己高速緩存中的尾節點，而隊列的入隊和出隊操作是需要不停修改頭接點和尾節點，所以在多處理器的情況下將會嚴重影響到隊列的入隊和出隊效率。Doug lea使用追加到64字節的方式來填滿高速緩衝區的緩存行，避免頭接點和尾節點加載到同一個緩存行，使得頭尾節點在修改時不會互相鎖定。
那麼是不是在使用Volatile變量時都應該追加到64字節呢？不是的。在兩種場景下不應該使用這種方式。
（1）緩存行非64字節寬的處理器，如P6系列和奔騰處理器，它們的L1和L2高速緩存行是32個字節寬。
（2）共享變量不會被頻繁的寫。因爲使用追加字節的方式需要處理器讀取更多的字節到高速緩衝區，這本身就會帶來一定的性能消耗，共享變量如果不被頻繁寫的話，鎖的機率也非常小，就沒必要通過追加字節的方式來避免相互鎖定。