一、基本概念

1.1 內(nèi)存模型

在程序的執(zhí)行過(guò)程中，涉及到兩個(gè)方面：指令的執(zhí)行和數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)萍肆。其中指令的執(zhí)行通過(guò)處理器來(lái)完成缠导，而數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)則要依賴(lài)于系統(tǒng)內(nèi)存廉羔，但是處理器的執(zhí)行速度要遠(yuǎn)大于內(nèi)存數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)，因此在處理器中加入了高速緩存僻造。在程序的執(zhí)行過(guò)程中憋他，會(huì) 先將數(shù)據(jù)拷貝到處理器的高速緩存中，待運(yùn)算結(jié)束后再回寫(xiě)到系統(tǒng)內(nèi)存當(dāng)中髓削。

在單線(xiàn)程的情況下不會(huì)有什么問(wèn)題竹挡，但是如果在多線(xiàn)程情況下就可能會(huì)出現(xiàn)異常的情況，以下面這段代碼為例立膛，i是放在堆內(nèi)存的共享變量：

i = i + 1; //i 的初始值為0揪罕。

假如線(xiàn)程A和線(xiàn)程B都執(zhí)行這段代碼，那么就可能出現(xiàn)下面兩種情況：

• 第一種情況：線(xiàn)程A先執(zhí)行+1操作宝泵，然后將i的值寫(xiě)回到系統(tǒng)內(nèi)存中好啰；線(xiàn)程B從系統(tǒng)內(nèi)存中拷貝i的值1到高速緩存中，執(zhí)行完+1操作再回寫(xiě)到系統(tǒng)內(nèi)存中儿奶，最終的結(jié)果是i=2框往。
• 第二種情況：線(xiàn)程A和線(xiàn)程B首先都將i的值0拷貝到各自處理器的高速緩存當(dāng)中，線(xiàn)程A首先執(zhí)行+1操作闯捎，之后i的值為1椰弊，然后寫(xiě)回到系統(tǒng)內(nèi)存中；但是對(duì)于線(xiàn)程B而言瓤鼻，它并不知道這一過(guò)程秉版，在運(yùn)行該線(xiàn)程的處理器的高速緩存中i的值仍然為0，因此在它執(zhí)行+1操作后娱仔，再將i的值寫(xiě)回到系統(tǒng)內(nèi)存中沐飘，最終的結(jié)果是i=1。

這種不確定性就稱(chēng)為 緩存不一致牲迫。

1.2 并發(fā)編程中的三個(gè)概念

在并發(fā)編程中耐朴，有三個(gè)關(guān)鍵的概念：可見(jiàn)性、原子性和有序性盹憎，只有保證了這三點(diǎn)才能使得程序在多線(xiàn)程情況下獲得預(yù)期的運(yùn)行結(jié)果筛峭。

1.2.1 可見(jiàn)性

可見(jiàn)性：是指線(xiàn)程之間的可見(jiàn)性，一個(gè)線(xiàn)程修改的狀態(tài)對(duì)另一個(gè)線(xiàn)程是可見(jiàn)的陪每。也就是一個(gè)線(xiàn)程修改的結(jié)果影晓，另一個(gè)線(xiàn)程馬上就能看到镰吵。在1.1所舉的例子就存在可見(jiàn)性的問(wèn)題。

在Java中volatile挂签、synchronized和final實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)性疤祭。

1.2.2 原子性

原子性：即一個(gè)操作或者多個(gè)操作，要么全部執(zhí)行并且執(zhí)行的過(guò)程不會(huì)被任何因素打斷饵婆，要么就都不執(zhí)行勺馆。

再比如a++，這個(gè)操作實(shí)際是a=a+1侨核，是可分割的草穆，所以它不是一個(gè)原子操作。非原子操作都會(huì)存在線(xiàn)程安全問(wèn)題搓译，需要我們使用同步技術(shù)來(lái)讓它變成一個(gè)原子操作悲柱。一個(gè)操作是原子操作，那么我們稱(chēng)它具有原子性些己。

在Java中synchronized和在lock豌鸡、unlock中操作或者原子操作類(lèi)來(lái)保證原子性。

1.2.3 有序性

有序性：即程序執(zhí)行的順序按照代碼的先后順序執(zhí)行轴总。以下面的代碼為例：

int i = 0;              
boolean flag = false;
i = 1; //語(yǔ)句1           
flag = true; //語(yǔ)句2

在上面的代碼中定義了一個(gè)整形和Boolean型變量直颅，并通過(guò)語(yǔ)句1和語(yǔ)句2對(duì)這兩個(gè)變量賦值博个，但是JVM在執(zhí)行這段代碼的時(shí)候并不保證語(yǔ)句1在語(yǔ)句2之前執(zhí)行怀樟，也就是說(shuō)可能會(huì)發(fā)生 指令重排序。

指令重排序指的是在 保證程序最終執(zhí)行結(jié)果和代碼順序執(zhí)行的結(jié)果一致的前提 下盆佣，改變語(yǔ)句執(zhí)行的順序來(lái)優(yōu)化輸入代碼往堡，提高程序運(yùn)行效率。

但是這一前提條件在多線(xiàn)程的情況下就有可能出現(xiàn)問(wèn)題共耍，以下面的代碼為例：

//線(xiàn)程1:
context = loadContext(); //語(yǔ)句1
inited = true; //語(yǔ)句2
 
//線(xiàn)程2:
while (!inited) {
    sleep()
}
doSomethingWithConfig(context);

對(duì)于線(xiàn)程1來(lái)說(shuō)虑灰，語(yǔ)句1和語(yǔ)句2沒(méi)有依賴(lài)關(guān)系，因此有可能會(huì)發(fā)生指令重排序的情況痹兜。但是對(duì)于線(xiàn)程2來(lái)說(shuō)穆咐，語(yǔ)句2在語(yǔ)句1之前執(zhí)行，那么就會(huì)導(dǎo)致進(jìn)入doSomethingWithConfig函數(shù)的時(shí)候context沒(méi)有初始化字旭。

Java語(yǔ)言提供了volatile和synchronized兩個(gè)關(guān)鍵字來(lái)保證線(xiàn)程之間操作的有序性对湃，volatile是因?yàn)槠?本身包含禁止指令重排序 的語(yǔ)義，synchronized是由 一個(gè)變量在同一個(gè)時(shí)刻只允許一條線(xiàn)程對(duì)其進(jìn)行 lock 操作 這條規(guī)則獲得的遗淳，此規(guī)則決定了持有同一個(gè)對(duì)象鎖的兩個(gè)同步塊只能串行執(zhí)行拍柒。

二、volatile 詳解

2.1 定義

volatile的定義如下：Java編程語(yǔ)言允許線(xiàn)程訪(fǎng)問(wèn)共享變量屈暗，為了確保共享變量能被準(zhǔn)確和一致地更新拆讯，線(xiàn)程應(yīng)該確保 通過(guò)排它鎖單獨(dú)地獲得這個(gè)變量脂男。如果一個(gè)字段被聲明成volatile，Java線(xiàn)程內(nèi)存模型確保 所有線(xiàn)程看到這個(gè)變量的值是一致的种呐。

一旦一個(gè)共享變量被volatile修飾之后宰翅，那么就具備了兩層語(yǔ)義：

• 保證了不同線(xiàn)程對(duì)這個(gè)變量進(jìn)行操作時(shí)的可見(jiàn)性，即一個(gè)線(xiàn)程修改了某個(gè)變量的值爽室，這新值對(duì)其他線(xiàn)程來(lái)說(shuō)是立即可見(jiàn)的堕油。
• 禁止進(jìn)行指令重排序。

下面肮之，我們用兩個(gè)小結(jié)解釋一下這兩層語(yǔ)義掉缺。

2.2 保證可見(jiàn)性

當(dāng)我們?cè)?code>X86處理器下通過(guò)工具獲取JIT編譯器生成的匯編指令，來(lái)查看對(duì)volatile進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí)戈擒，會(huì)發(fā)生下面的事情：

//Java 代碼
instance = new Singleton(); //instance 是 volatile 變量

//轉(zhuǎn)變成匯編代碼
0x01a3de1d: move $0 x 0, 0 x 1104800 (%esi); 
0x01a3de24: lock add1 $ 0 x 0, (%esp);

有volatile變量修飾的共享變量 進(jìn)行寫(xiě)操作的時(shí)候 會(huì)多出兩行匯編代碼眶明，Lock前綴的指令在多核處理器下引發(fā)了兩件事情：

• 將當(dāng)前處理器 內(nèi)部緩存 的數(shù)據(jù)寫(xiě)回到 系統(tǒng)內(nèi)存。
• 這個(gè)寫(xiě)回內(nèi)存的操作會(huì)使在其他處理器里 緩存了該內(nèi)存地址的數(shù)據(jù)無(wú)效筐高，當(dāng)這些處理器對(duì)這個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改操作的時(shí)候搜囱，會(huì)重新從系統(tǒng)內(nèi)存中把數(shù)據(jù)讀到處理器緩存里。

2.3 禁止指令重排序

volatile關(guān)鍵字禁止指令重排序有兩層意思：

• 當(dāng)程序執(zhí)行到volatile變量的讀操作或者寫(xiě)操作時(shí)柑土，在其前面的操作的更改肯定全部已經(jīng)進(jìn)行蜀肘，且結(jié)果已經(jīng)對(duì)后面的操作可見(jiàn)；在其后面的操作肯定還沒(méi)有進(jìn)行稽屏；
• 在進(jìn)行指令優(yōu)化時(shí)扮宠，不能將在對(duì)volatile變量訪(fǎng)問(wèn)的語(yǔ)句放在其后面執(zhí)行，也不能把volatile變量后面的語(yǔ)句放到其前面執(zhí)行狐榔。

以下面的例子為例：

//flag 為 volatile 變量

x = 2; //語(yǔ)句1
y = 0; //語(yǔ)句2
flag = true;  //語(yǔ)句3
x = 4; //語(yǔ)句4
y = -1; //語(yǔ)句5

由于flag為volatile變量坛增，因此，可以保證語(yǔ)句1/2在語(yǔ)句3之前執(zhí)行薄腻，語(yǔ)句4/5在其之后執(zhí)行收捣，但是并不保證語(yǔ)句1/2之間或者語(yǔ)句4/5之間的順序。

對(duì)于1.2.3舉的有關(guān)Context問(wèn)題庵楷，我們就可以通過(guò)將inited變量聲明為volatile罢艾，這樣就會(huì)保證loadContext()和inited賦值語(yǔ)句之間的順序不被改變，避免出現(xiàn)inited=true但是Context沒(méi)有初始化的情況出現(xiàn)尽纽。

2.4 性能問(wèn)題

volatile相對(duì)于synchronized的優(yōu)勢(shì)主要原因是兩點(diǎn)：簡(jiǎn)易和性能咐蚯。如果從讀寫(xiě)兩方便來(lái)考慮：

• volatile讀操作開(kāi)銷(xiāo)非常低，幾乎和非volatile讀操作一樣
• volatile寫(xiě)操作的開(kāi)銷(xiāo)要比非volatile寫(xiě)操作多很多蜓斧，因?yàn)橐ＷC可見(jiàn)性需要實(shí)現(xiàn) 內(nèi)存界定仓蛆，即便如此，volatile的總開(kāi)銷(xiāo)仍然要比鎖獲取低挎春。volatile操作不會(huì)像鎖一樣 造成阻塞看疙。

以上兩個(gè)條件表明豆拨，可以被寫(xiě)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)能庆。大多數(shù)的編程情形都會(huì)與這兩個(gè)條件的其中之一沖突施禾，使得volatile不能像synchronized那樣普遍適用于實(shí)現(xiàn)線(xiàn)程安全。

因此搁胆，在能夠安全使用volatile的情況下弥搞，volatile可以提供一些優(yōu)于鎖的可伸縮特性。如果讀操作的次數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)寫(xiě)操作渠旁，與鎖相比攀例，volatile變量通常能夠減少同步的性能開(kāi)銷(xiāo)。

2.5 應(yīng)用場(chǎng)景

要使volatile變量提供理想的線(xiàn)程安全顾腊，必須同時(shí)滿(mǎn)足以下兩個(gè)條件：

• 對(duì)變量的 寫(xiě)操作不依賴(lài)于當(dāng)前值粤铭。例如x++這樣的增量操作，它實(shí)際上是一個(gè)由讀取杂靶、修改梆惯、寫(xiě)入操作序列組成的組合操作，必須以原子方式執(zhí)行吗垮，而volatile不能提供必須的原子特性垛吗。
• 該變量 沒(méi)有包含在其它變量的不變式中。

避免濫用volatile最重要的準(zhǔn)則就是：只有在 狀態(tài)真正獨(dú)立于程序內(nèi)其它內(nèi)容時(shí) 才能使用volatile烁登，下面怯屉，我們總結(jié)一些volatile的應(yīng)用場(chǎng)景。

2.5.1 狀態(tài)標(biāo)志

用volatile來(lái)修飾一個(gè)Boolean狀態(tài)標(biāo)志防泵，用于指示發(fā)生了某一次的重要事件蚀之，例如完成初始化或者請(qǐng)求停機(jī)蝗敢。

volatile boolean shutdownRequested;
 
...
 
public void shutdown() { shutdownRequested = true; }
 
public void doWork() { 
    while (!shutdownRequested) { 
        // do stuff
    }
}

2.5.2 一次性安全發(fā)布

在解釋 一次性安全發(fā)布 的含義之前捷泞，讓我們先來(lái)看一下 單例寫(xiě)法 當(dāng)中著名的 雙重檢查鎖定問(wèn)題。

    //使用 volatile 修飾寿谴。
    private volatile static Singleton sInstance;

    public static Singleton getInstance() {
        if (sInstance == null) { //(0)
            synchronized (Singleton.class) { //(1)         
                if (sInstance == null) {  //(2)           
                    sInstance = new Singleton(); //(3)    
                }
            }
        }
        return sInstance;
    }

假如 沒(méi)有使用volatile來(lái)修飾sInstance變量锁右，那么有可能會(huì)發(fā)生下面的場(chǎng)景：

• 第一步：Thread1進(jìn)入getInstance()方法，由于sInstance為空讶泰，Thread1進(jìn)入synchronized代碼塊咏瑟。
• 第二步：Thread1前進(jìn)到(3)處，在構(gòu)造函數(shù)執(zhí)行之前使sInstance對(duì)象成為非空痪署，并設(shè)置sInstance指向的內(nèi)存空間码泞。
• 第三步：Thread2執(zhí)行，它在入口(0)處檢查實(shí)例是否為空狼犯，由于sInstance對(duì)象不為空余寥，Thread2將sInstance引用返回领铐，此時(shí)sInstance對(duì)象并沒(méi)有初始化完成。
• 第四步：Thread1通過(guò)運(yùn)行Singleton對(duì)象的構(gòu)造函數(shù)并將引用返回給它宋舷，來(lái)完成對(duì)該對(duì)象的初始化绪撵。

通過(guò)volatile就可以禁止第二步和第四步的重排序，也就是使得 初始化對(duì)象在設(shè)置 sInstance 指向的內(nèi)存空間之前完成祝蝠。

2.5.3 volatile bean 模式

volatile bean模式適用于將JavaBeans作為“榮譽(yù)結(jié)構(gòu)”使用的框架音诈。在volatile bean模式中，JavaBean被用作一組具有getter和/或setter方法的獨(dú)立屬性的容器绎狭。

volatile bean模式的基本原理是：很多框架為易變數(shù)據(jù)的持有者提供了容器细溅，但是放入這些容器中的對(duì)象必須是線(xiàn)程安全的。

在volatile bean模式中儡嘶，JavaBean的所有數(shù)據(jù)成員都是volatile類(lèi)型的谒兄，并且 getter和setter方法必須非常普通，除了獲取或設(shè)置相應(yīng)的屬性外社付，不能包含任何邏輯承疲。此外，對(duì)于對(duì)象引用的數(shù)據(jù)成員鸥咖，引用的對(duì)象必須是有效不可變的燕鸽。

public class Person {
    private volatile String firstName;
    private volatile String lastName;
    private volatile int age;
 
    public String getFirstName() { return firstName; }
    public String getLastName() { return lastName; }
    public int getAge() { return age; }
    public void setFirstName(String firstName) { 
        this.firstName = firstName;
    }
    public void setLastName(String lastName) { 
        this.lastName = lastName;
    }
    public void setAge(int age) { 
        this.age = age;
    }
}

2.5.4 開(kāi)銷(xiāo)較低的讀/寫(xiě)鎖策略

如果讀操作遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)寫(xiě)操作，您可以結(jié)合使用內(nèi)部鎖和volatile變量來(lái)減少公共代碼路徑的開(kāi)銷(xiāo)啼辣。下面的代碼中使用synchronized確保增量操作是原子的啊研，并使用volatile保證當(dāng)前結(jié)果的可見(jiàn)性。如果更新不頻繁的話(huà)鸥拧，該方法可實(shí)現(xiàn)更好的性能党远，因?yàn)樽x路徑的開(kāi)銷(xiāo)僅僅涉及volatile讀操作，這通常要優(yōu)于一個(gè)無(wú)競(jìng)爭(zhēng)的鎖獲取的開(kāi)銷(xiāo)富弦。

public class CheesyCounter {
    private volatile int value;
    public int getValue() { return value; }
    public synchronized int increment() {
        return value++;
    }
}

三沟娱、參考文獻(xiàn)

(1) Java 并發(fā)編程：volatile 關(guān)鍵字解析
(2) Java 中 volatile 關(guān)鍵字詳解
(3) 正確使用 volatile 變量
(4) volatile 的使用