Java中不可或缺的關鍵字「volatile」

什麼是volatile關鍵字

volatile是Java中用於修飾變量的關鍵字，其可以保證該變量的可見性以及順序性，但是無法保證原子性。更準確地說是volatile關鍵字只能保證單操作的原子性，比如x=1 ，但是無法保證複合操作的原子性，比如x++

其爲Java提供了一種輕量級的同步機制：保證被volatile修飾的共享變量對所有線程總是可見的，也就是當一個線程修改了一個被volatile修飾共享變量的值，新值總是可以被其他線程立即得知。相比於synchronized關鍵字（synchronized通常稱爲重量級鎖），volatile更輕量級，開銷低，因爲它不會引起線程上下文的切換和調度。

保證可見性

可見性：是指當多個線程訪問同一個變量時，一個線程修改了這個變量的值，其他線程能夠立即看到修改的值。我們一起來看一個例子：

public class VisibilityTest {
    private boolean flag = true;

    public void change() {
        flag = false;
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "，已修改flag=false");
    }

    public void load() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "，開始執行.....");
        int i = 0;
        while (flag) {
            i++;
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",結束循環");
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        VisibilityTest test = new VisibilityTest();

        // 線程threadA模擬數據加載場景
        Thread threadA = new Thread(() -> test.load(), "threadA");
        threadA.start();

        // 讓threadA執行一會兒
        Thread.sleep(1000);
        // 線程threadB 修改 共享變量flag
        Thread threadB = new Thread(() -> test.change(), "threadB");
        threadB.start();

    }
}

其中：threadA 負責循環，threadB負責修改共享變量flag，如果flag=false時，threadA 會結束循環，但是上面的例子會死循環！原因是threadA無法立即讀取到共享變量flag修改後的值。我們只需private volatile boolean flag = true;，加上volatile關鍵字threadA就可以立即退出循環了。

其中Java中的volatile關鍵字提供了一個功能：那就是被volatile修飾的變量P被修改後，JMM會把該線程本地內存中的這個變量P，立即強制刷新到主內存中去，導致其他線程中的volatile變量P緩存無效，也就是說其他線程使用volatile變量P在時，都是從主內存刷新的最新數據。而普通變量的值在線程間傳遞的時候一般是通過主內存以共享內存的方式實現的；

因此，可以使用volatile來保證多線程操作時變量的可見性。除了volatile，Java中的synchronized和final兩個關鍵字以及各種Lock也可以實現可見性。加鎖的話，當一個線程進入 synchronized代碼塊後，線程獲取到鎖，會清空本地內存，然後從主內存中拷貝共享變量的最新值到本地內存作爲副本，執行代碼，又將修改後的副本值刷新到主內存中，最後線程釋放鎖。

保證有序性

有序性，顧名思義即程序執行的順序按照代碼的先後順序執行。但現代的計算機中CPU中爲了能夠讓指令的執行儘可能地同時運行起來，提示計算機性能，採用了指令流水線。一個 CPU 指令的執行過程可以分成 4 個階段：取指、譯碼、執行、寫回。這 4 個階段分別由 4 個獨立物理執行單元來完成。

理想的情況是：指令之間無依賴，可以使流水線的並行度最大化但是如果兩條指令的前後存在依賴關係，比如數據依賴，控制依賴等，此時後一條語句就必需等到前一條指令完成後，才能開始。所以CPU爲了提高流水線的運行效率，對無依賴的前後指令做適當的亂序和調度，即現代的計算機中CPU是亂序執行指令的

另一方面，只要不會改變程序的運行結果，Java編譯器是可以通過指令重排來優化性能。然而，重排可能會影響本地處理器緩存與主內存交互的方式，可能導致在多線程的情況下發生"細微"的BUG。

指令重排一般可以分爲如下三種類型：

編譯器優化重排序，編譯器在不改變單線程程序語義的前提下，可以重新安排語句的執行順序。
指令級並行重排序，現代處理器採用了指令級並行技術來將多條指令重疊執行。如果不存在數據依賴性，處理器可以改變語句對應機器指令的執行順序。
內存系統重排序，由於處理器使用緩存和讀 / 寫緩衝區，這使得加載和存儲操作看上去可能是在亂序執行。這並不是顯式的將指令進行重排序，只是因爲緩存的原因，讓指令的執行看起來像亂序。

從 Java 源代碼到最終執行的指令序列，一般會經歷下面三種重排序：

編譯器優化重排序 - 指令級並行重排序 - 內存系統重排序 - 最終執行的指令排序

變量初始化賦值

我們一起來看一個例子，讓大家體悟volatile關鍵字的禁止指令重排的作用：

int i = 0;
int j = 0;
int k = 0;
i = 10; 
j = 1;

對於上面的代碼我們正常的執行流程是：

初始化i 初始化j 初始化k i賦值 j賦值

但由於指令重排序問題，代碼的執行順序未必就是編寫代碼時候的順序。語句可能的執行順序如下：

初始化i i賦值初始化j j賦值初始化k

指令重排對於非原子性的操作，在不影響最終結果的情況下，其拆分成的原子操作可能會被重新排列執行順序,提升性能。指令重排不會影響單線程的執行結果，但是會影響多線程併發執行的結果正確性。

但當我們用volatile修飾變量k時：

int i = 0;
int j = 0;
volatile int k = 0;
i = 10; 
j = 1;

這樣會保證上面代碼執行順序：變量i和j的初始化，在volatile int k = 0之前，變量i和j的賦值操作在volatile int k = 0後面

懶漢式單例 -- 雙重校驗鎖 volatile版

我們可以使用volatile關鍵字去阻止重排 volatile變量周圍的讀寫指令，這種操作通常稱爲 memory barrier （內存屏障）

隱藏特性

volatile關鍵字除了禁止指令重排的作用，還有一個特性：當線程向一個volatile 變量寫入時，在線程寫入之前的其他所有變量（包括非volatile變量）也會刷新到主內存。當線程讀取一個 volatile變量時，它也會讀取其他所有變量（包括非volatile變量）與volatile變量一起刷新到主內存。儘管這是一個重要的特性，但是我們不應該過於依賴這個特性，來"自動"使周圍的變量變得volatile，若是我們想讓一個變量是volatile的，我們編寫程序的時候需要非常明確地用volatile關鍵字來修飾。

無法保證原子性

volatile關鍵字無法保證原子性，更準確地說是volatile關鍵字只能保證單操作的原子性，比如x=1 ，但是無法保證複合操作的原子性，比如x++

所謂原子性：即一個或者多個操作作爲一個整體，要麼全部執行，要麼都不執行，並且操作在執行過程中不會被線程調度機制打斷；而且這種操作一旦開始，就一直運行到結束，中間不會有任何上下文切換（context switch）

int  = 0;   //語句1，單操作,原子性的操作

i++;         //語句2，複合操作，非原子性的操作

其中：語句2i++ 其實在Java中執行過程，可以分爲3步：

1.i 被從局部變量表（內存）取出，
2.壓入操作棧（寄存器），操作棧中自增
3.使用棧頂值更新局部變量表（寄存器更新寫入內存）

執行上述3個步驟的時候是可以進行線程切換的，或者說是可以被另其他線程的這3 步打斷的，因此語句2不是一個原子性操作

volatile版

我們再來看一個例子：

public class Test1 {

    public static volatile int val;

    public static void add() {
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            val++;
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(Test1::add);
        Thread t2 = new Thread(Test1::add);
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();//等待該線程終止
        t2.join();
        System.out.println(val);
    }
}

2個線程各循環2000次，每次+1，如果volatile關鍵字能夠保證原子性，預期的結果是2000，但實際結果卻是：1127，而且多次執行的結果都不一樣，可以發現volatile關鍵字無法保證原子性。

synchronized版

我們可以利用synchronized關鍵字來解決上面的問題：

public class SynchronizedTest {
    public static int val;

    public synchronized static void add() {
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            val++;
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(SynchronizedTest::add);
        Thread t2 = new Thread(SynchronizedTest::add);
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();//等待該線程終止
        t2.join();
        System.out.println(val);
    }
}

運行結果：2000

Lock版

我們還可以通過加鎖來解決上述問題：

public class LockTest {

    public static int val;

    static Lock lock = new ReentrantLock();

    public static void add() {

        for (int i = 0; i < 1000; i++) {

            lock.lock();//上鎖
            try {
                val++;
            }catch(Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }finally {
                lock.unlock();//解鎖
            }

        }

    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(LockTest::add);
        Thread t2 = new Thread(LockTest::add);
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();//等待該線程終止
        t2.join();
        System.out.println(val);
    }

}

運行結果：2000

Atomic版 i++

Java從JDK 1.5開始提供了java.util.concurrent.atomic包（以下簡稱Atomic包），這個包中的原子操作類, 靠CAS循環的方式來保證其原子性，是一種用法簡單、性能高效、線程安全地更新一個變量的方式。

這些類可以保證多線程環境下，當某個線程在執行atomic的方法時，不會被其他線程打斷，而別的線程就像自旋鎖一樣，一直等到該方法執行完成，才由JVM從等待隊列中選擇一個線程執行。

我們來用atomic包來解決volatile原子性的問題：

public class AtomicTest {
    public static AtomicInteger val = new AtomicInteger();

    public static void add() {
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            val.getAndIncrement();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(AtomicTest::add);
        Thread t2 = new Thread(AtomicTest::add);
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();//等待該線程終止
        t2.join();
        System.out.println(val);
    }
}

運行結果：2000, 如果我們維護現有的項目，如果遇到volatile變量最好將其替換爲Atomic 變量,除非你真的特別瞭解volatile。Atomic 就不展開說了，先挖個坑，以後補上

volatile 原理

當大家仔細讀完上文的懶漢式單例 -- 雙重校驗鎖 volatile版，會發現volatile關鍵字修飾變量後，我們反彙編後會發現多出了lock前綴指令，lock前綴指令在彙編中 LOCK指令前綴功能如下：

被修飾的彙編指令成爲"原子的"

與被修飾的彙編指令一起提供"內存屏障"效果（lock指令可不是內存屏障）

內存屏障主要分類：

1.一類是可以強制讀取主內存，強制刷新主內存的內存屏障，叫做Load屏障和Store屏障

2.另一類是禁止指令重排序的內存屏障，主要有四個分別叫做LoadLoad屏障、StoreStore屏障、LoadStore屏障、StoreLoad屏障

這4個屏障具體作用：

LoadLoad屏障：（指令Load1; LoadLoad; Load2），在Load2及後續讀取操作要讀取的數據被訪問前，保證Load1要讀取的數據被讀取完畢。
LoadStore屏障：（指令Load1; LoadStore; Store2），在Store2及後續寫入操作被刷出前，保證Load1要讀取的數據被讀取完畢。
StoreStore屏障：（指令Store1; StoreStore; Store2），在Store2及後續寫入操作執行前，保證Store1的寫入操作對其它處理器可見。
StoreLoad屏障：（指令Store1; StoreLoad; Load2），在Load2及後續所有讀取操作執行前，保證Store1的寫入對所有處理器可見。它的開銷是四種屏障中最大的。在大多數處理器的實現中，這個屏障是個萬能屏障，兼具其它三種內存屏障的功能

對於volatile操作而言，其操作步驟如下：

每個volatile寫入之前，插入一個 StoreStore，寫入以後插入一個 StoreLoad
每個volatile讀取之前，插入一個 LoadLoad，讀取之後插入一個 LoadStore

我們再總結以下，用volatile關鍵字修飾變量後，主要發生的變化有哪些？：

1.當一個線程修改了 volatile 修飾的變量，當修改後的變量寫回主內存時，其他線程能立即看到最新值。即volatile關鍵字保證了併發的可見性

使用volatile關鍵字修飾共享變量後，每個線程要操作該變量時會從主內存中將變量拷貝到本地內存作爲副本，但當線程操作完變量副本，會強制將修改的值立即寫入主內存中。然後通過 CPU總線嗅探機制告知其他線程中該變量副本全部失效，（在CPU層，一個處理器的緩存回寫到內存會導致其他處理器的緩存行無效），若其他線程需要該變量，必須重新從主內存中讀取。

2.在x86的架構中，volatile關鍵字底層含有lock前綴的指令，與被修飾的彙編指令一起提供"內存屏障"效果，禁止了指令重排序，保證了併發的有序性

確保一些特定操作執行的順序,讓cpu必須按照順序執行指令，即當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；

3.volatile關鍵字無法保證原子性，更準確地說是volatile關鍵字只能保證單操作的原子性，比如x=1 ，但是無法保證複合操作的原子性，比如x++。

有人可能問賦值操作是原子操作，本來就是原子性的，用volatile修飾有什麼意義？在Java 數據類型足夠大的情況下（在 Java 中 long 和 double 類型都是 64 位），寫入變量的過程分兩步進行，就會發生 Word tearing （字分裂）情況。 JVM 被允許將64位數量的讀寫作爲兩個單獨的32位操作執行，這增加了在讀寫過程中發生上下文切換的可能性，多線程的情況下可能會出現值會被破壞的情況

在缺乏任何其他保護的情況下，用 volatile 修飾符定義一個 long 或 double 變量，可阻止字分裂情況

Java中不可或缺的關鍵字「volatile」

什麼是volatile關鍵字

保證可見性

保證有序性

變量初始化賦值

懶漢式單例 -- 雙重校驗鎖 volatile版

隱藏特性

無法保證原子性

volatile版

synchronized版

Lock版

Atomic版 i++

volatile 原理

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