深入理解volatile關鍵字

1.volatile關鍵字的兩層語義

　　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。

　　2）禁止進行指令重排序。

　　先看一段代碼，假如線程1先執行，線程2後執行：

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//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。在前面已經解釋過，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。

2.volatile保證原子性嗎？

　　從上面知道volatile關鍵字保證了操作的可見性，但是volatile能保證對變量的操作是原子性嗎？

　　下面看一個例子：

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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); } }

　　大家想一下這段程序的輸出結果是多少？也許有些朋友認爲是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。

　　可能有的朋友就會有疑問，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：

　　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；

　　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。

　　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。

　　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：

　　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);
    }
}

　　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);
    }
}

　　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。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。

3.volatile能保證有序性嗎？

　　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：

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//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：

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//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，那麼久可能導致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。

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》：

　　“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存；

　　3）如果是寫操作，它會導致其他CPU中對應的緩存行無效。

五.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。

　　事實上，我的理解就是上面的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。

　　下面列舉幾個Java中使用volatile的幾個場景。

1.狀態標記量

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volatile boolean flag = false; while(!flag){ doSomething(); } public void setFlag() { flag = true; }

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volatile boolean inited = false; //線程1: context = loadContext(); inited = true; //線程2: while(!inited ){ sleep() } doSomethingwithconfig(context);

2.double check

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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; } }

　　參考資料：http://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3920373.html