寫在前面
前面一章我們講了了java原子性的相關(guān)概念和知識點(diǎn)，介紹了用于共享變量線程隔離的ThreadLocal分扎，也知道了synchronized是一個重量級的鎖笼蛛，而我們今天要講的volatile則是輕量級的synchronized奴艾，主要是因?yàn)樗粫鹁€程上下文的切換橄妆。在講volatile到底是什么，它能夠解決什么樣的問題之前符匾，首先不得不提一下Java的內(nèi)存模型叨咖。
JMM內(nèi)存模型
在Java中，所有實(shí)例域待讳，靜態(tài)域和數(shù)組對象都存在于堆中芒澜，是所有線程共享的。局部變量创淡，方法參數(shù)和異常處理參數(shù)不是線程共享痴晦，不會存在內(nèi)存可見性問題。
Java線程之間的通信由Java(簡稱JMM)內(nèi)存模型來控制琳彩，它決定了對一個變量的寫入何時對另一個線程可見誊酌。JMM規(guī)定了所有的共享變量都存在于主內(nèi)存中，而每條線程又有自己的工作內(nèi)存露乏，工作內(nèi)存內(nèi)保存了對于主內(nèi)存中共享變量的拷貝碧浊。我們對一個變量的讀寫是在工作內(nèi)存中完成的，同時線程間的通信是由工作內(nèi)存將修改的變量刷新到主內(nèi)存來進(jìn)行傳遞的瘟仿。下面是JMM的抽象示意圖：
從圖上看箱锐，線程A和B進(jìn)行通信的話分成兩步：
- 線程A將修改后的共享變量刷新到主內(nèi)存
- 線程B從主內(nèi)存讀取線程A已更新過的共享變量
由于線程B每次都是從主內(nèi)存拿變量，并不能實(shí)時地獲取線程A修改的變量值劳较，可能讀取的是之前的值驹止，從而出現(xiàn)臟讀浩聋，這就是不滿足可見性的問題。
可見性問題
可見性是指當(dāng)多個線程訪問同一個共享變量時臊恋，一個線程修改了這個變量的值衣洁，另一個線程立馬能夠讀取到修改后的值。
舉個栗子：
//線程1
int i = 0;
i = 10;
//線程2
j=i;
畫個圖：
由圖可知抖仅，假如線程A,B按照這種時間順序執(zhí)行的話坊夫，j最后的值是0。這就是可見性問題撤卢，線程A對變量i修改的值环凿，沒有立即對線程B可見。
有序性問題
有序性：即程序執(zhí)行的順序按照代碼的先后順序執(zhí)行凸丸。
舉個栗子：
public class VolatileDemo {
private static boolean flag;
private static int num;
public static void main(String[] args) {
Thread t1 = new Thread(() -> {
while (!flag) {
Thread.yield();
}
System.out.println(num);
});
t1.start();
num = 5;
flag = true;
}
}
這段代碼拷邢，盡管num=5是寫在flag=true前面，但是最終打印的結(jié)果有可能是0哦屎慢。也就是說，寫在前面的代碼并沒有先執(zhí)行忽洛，對于這種不按書寫順序執(zhí)行的情況稱作指令重排序腻惠。大多數(shù)現(xiàn)代處理器都支持指令重排，為的是直接運(yùn)行當(dāng)前能運(yùn)行的指令欲虚，而不去順序等待集灌，這種亂序的執(zhí)行方式打打提高了處理器的效率。
戲說不是胡說复哆，改編不是亂編欣喧，指令重排也不是隨便排，它是根據(jù)代碼的依賴關(guān)系梯找，在不影響單線程環(huán)境下的執(zhí)行結(jié)果的前提下進(jìn)行重排序的唆阿。例如：
a=1;
b=2;
c=a+b;
這段代碼，c=a+b是不會重排到啊a,b之前的锈锤，因?yàn)閏的值對a,b都有依賴驯鳖。但是，a,b的賦值語句可能會重排久免。這種指令重排在單線程環(huán)境中沒有任何問題浅辙，但是在多線程的環(huán)境下，就將會出現(xiàn)數(shù)據(jù)的不確定性阎姥。
volatile保證可見性和有序性记舆，但不能保證原子性
在Java中，大佬們給我們提供了volatile關(guān)鍵字來保證可見性和有序性呼巴。這個說法有兩種語義：
保證了不同線程對變量操作時的可見性泽腮，即一個線程修改了變量的值御蒲，對另一個線程是立馬可見的摔桦。
-
禁止指令重排序稍味，即在volatile語句之前的代碼不會重排序到volatile語句之后去執(zhí)行。
volatile保證了可見性奶赔，是因?yàn)槭褂胿olatile關(guān)鍵字會強(qiáng)制把值寫入主內(nèi)存豪筝，同時將其他線程工作內(nèi)存中的緩存行無效痰滋，這樣其他線程在獲取變量值的時候，發(fā)現(xiàn)了自己的緩存行無效后续崖，在對應(yīng)的主內(nèi)存地址被更新后就會去主內(nèi)存中取敲街。volatile保證了有序性，如果兩個操作的執(zhí)行次序無法從happens-befor原則推導(dǎo)出來严望，那么它們就不能保證它們的有序性多艇，虛擬機(jī)可以隨意地對它們進(jìn)行重排序。volatile底層是通過內(nèi)存屏障來完成一系列的有序性功能的像吻。注:
synchronized和lock也能保證有序性峻黍。
最后要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)的是，volatile不能保證原子性拨匆。
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(zhí)行完
Thread.yield();
System.out.println(test.inc);
}
}
這段代碼最終的輸出結(jié)果將小于10000姆涩，原因就在于inc++它不是個原子性操作，盡管volatile能保證對inc的修改立即被其他線程感知惭每，但是對于inc的并發(fā)讀取不會觸發(fā)強(qiáng)制刷新主內(nèi)存骨饿，也不會導(dǎo)致其他線程的緩存行無效，這樣就導(dǎo)致多個線程讀取到同樣的值台腥。
一般這種情況可以用synchronized或lock來解決宏赘，也可以通過無鎖CAS方式的AtomicInteger來解決。
所以說黎侈，重量級鎖還是比較穩(wěn)的察署，volatile不能完全替代synchronized，使用volatile必須具備兩個條件：
- 對變量的寫入不依賴當(dāng)前值
- 該變量沒有包含在其他變量的不變式中
參考資料
- 方騰飛：《Java并發(fā)編程的藝術(shù)》
- 指令重排序
- 深入分析volatile的實(shí)現(xiàn)原理
