【多線程】Java中的volatile到底起着什麼樣的作用呢

當聲明共享變量爲volatile後，對這個變量的讀/寫將會很特別。那麼它到底起着怎樣的作用呢？

一、可見性

可見性指的是線程之間的可見性，一個線程修改的狀態對另一個線程是可見的。也就是一個線程對一個volatile變量的讀，總是能看到（任意線程）對這個volatile變量最後的寫入。
其實之所以要保證可見性，主要與Java的內存模型有關。

內存模型

每個線程在執行的時候，會從主內存中拷貝一份到自己的本地內存，線程操作的時候是操作自己本地內存的變量，這樣每個線程都操作自己本地內存的變量，就可能導致這個共享變量的數據不一致，這就體現了volatile的作用了。volatile可以使得一個線程操作共享變量的時候，能讀到這個共享變量最新的變化，在這個變化上操作。

示意圖

線程對共享變量的所有操作都必須在⾃⼰的本地內存中進⾏，不能直接從主內存中讀取。JMM通過控制主內存與每個線程的本地內存之間的交互，來提供內存可⻅性保證。

舉個栗子

下邊這個例子只是爲了理解volatile的作用
對任意單個volatile變量的讀/寫具有原子性，但類似於volatile++這種複合操作不具有原子性

線程A和線程B操作同一個變量a，假設線程A先執行，線程B後執行
在這裏，因爲有了volatile，所以線程A執行後的結果a=1對B是可見的，B執行的時候是在a=1的基礎上進行的，然後B執行完是2；
如果沒有volatile，線程A執行完a=1，但線程B可能不知道，B執行的時候以爲a=0，B執行完就是1了

public class VolatileDemo {
    private static volatile int a = 0;
    static class ThreadA implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            a++;
            System.out.println(a);
        }
    }

    static class ThreadB implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
           a++;
            System.out.println(a);
        }
    }
}

執行過程

最開始共享變量flag=0。也就是主內存中flag=0，線程A執行的時候，是先從主內存中拷貝一份到本地內存A，flag=0,然後線程A操作flag=1；A操作的flag=1更新到主內存中，接着B開始執行，主內存中flag=1，更新到本地內存B中，flag=1,接着B操作flag=2。

二、禁止重排序

在Java內存模型中，對一些語句進行重排序，可提升性能，但是有的地方一旦重排序了，得到的結果就不是我們想要的結果了。也就是我們寫代碼的時候看到的是語句1在語句2前，但在JMM中可能重排序後就是語句2在語句1前邊了，但我們可能就想讓語句1在語句2前執行，這就用到了volatile了，它是怎麼實現不重排序呢，JVM通過內存屏障來實現限制處理器的重排序

重排序

計算機在執⾏程序時，爲了提⾼性能，編譯器和處理器常常會對指令做重排。
原理是指令1還沒有執⾏完，就可以開始執⾏指令2，⽽不⽤等到指令1執⾏結束之後再執⾏指令2，這樣就⼤⼤提⾼了效率。
指令重排可以保證串⾏語義⼀致，但是沒有義務保證多線程間的語義也⼀致。所以在多線程下，指令重排序可能會導致⼀些問題。

內存屏障

分類

讀屏障（Load Barrier）和寫屏障（Store Barrier）

作⽤

（1） 阻⽌屏障兩側的指令重排序；
（2）強制把寫緩衝區/⾼速緩存中的髒數據等寫回主內存，或者讓緩存中相應的數據失效

基於保守策略的JMM內存屏障插⼊策略

在每個volatile寫操作前插⼊⼀個StoreStore屏障；
在每個volatile寫操作後插⼊⼀個StoreLoad屏障；
在每個volatile讀操作後插⼊⼀個LoadLoad屏障；
在每個volatile讀操作後再插⼊⼀個LoadStore屏障。

實際過程中的JMM內存屏障插⼊

class VolatileBarrier{
    int a;
    volatile int b=1;
    volatile int c=2;
    void readWrite(){
        // 第一個volatile讀
        int i=b;
        // 第二個volatile讀
        int j=c;
        // 普通寫
        a=i+j;
        // 第一個volatile寫
        b=i+1;
        // 第二個volatile寫
        c=j+1;
    }
}

在保證內存可⻅性這⼀點上，volatile有着與鎖相同的內存語義，所以可以作爲⼀個“輕量級”的鎖來使⽤。但由於volatile僅僅保證對單個volatile變量的讀/寫具有原⼦性，⽽鎖可以保證整個臨界區代碼的執⾏具有原⼦性。所以在功能上，鎖⽐volatile更強⼤；在性能上，volatile更有優勢。