Java并發(fā)編程：volatile關(guān)鍵字解析
volatile這個(gè)關(guān)鍵字可能很多朋友都聽(tīng)說(shuō)過(guò)身诺，或許也都用過(guò)此熬。在Java 5之前甜刻，它是一個(gè)備受爭(zhēng)議的關(guān)鍵字呻袭，因?yàn)樵诔绦蛑惺褂盟鶗?huì)導(dǎo)致出人意料的結(jié)果。在Java 5之后，volatile關(guān)鍵字才得以重獲生機(jī)蔑担。
volatile關(guān)鍵字雖然從字面上理解起來(lái)比較簡(jiǎn)單露氮，但是要用好不是一件容易的事情。由于volatile關(guān)鍵字是與Java的內(nèi)存模型有關(guān)的钟沛，因此在講述volatile關(guān)鍵之前，我們先來(lái)了解一下與內(nèi)存模型相關(guān)的概念和知識(shí)局扶，然后分析了volatile關(guān)鍵字的實(shí)現(xiàn)原理恨统，最后給出了幾個(gè)使用volatile關(guān)鍵字的場(chǎng)景。
以下是本文的目錄大綱：
一.內(nèi)存模型的相關(guān)概念
二.并發(fā)編程中的三個(gè)概念
三.Java內(nèi)存模型
四..深入剖析volatile關(guān)鍵字
五.使用volatile關(guān)鍵字的場(chǎng)景
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一.內(nèi)存模型的相關(guān)概念
大家都知道畴蒲，計(jì)算機(jī)在執(zhí)行程序時(shí)悠鞍，每條指令都是在CPU中執(zhí)行的，而執(zhí)行指令過(guò)程中模燥，勢(shì)必涉及到數(shù)據(jù)的讀取和寫(xiě)入咖祭。由于程序運(yùn)行過(guò)程中的臨時(shí)數(shù)據(jù)是存放在主存（物理內(nèi)存）當(dāng)中的，這時(shí)就存在一個(gè)問(wèn)題蔫骂，由于CPU執(zhí)行速度很快么翰，而從內(nèi)存讀取數(shù)據(jù)和向內(nèi)存寫(xiě)入數(shù)據(jù)的過(guò)程跟CPU執(zhí)行指令的速度比起來(lái)要慢的多，因此如果任何時(shí)候?qū)?shù)據(jù)的操作都要通過(guò)和內(nèi)存的交互來(lái)進(jìn)行辽旋，會(huì)大大降低指令執(zhí)行的速度浩嫌。因此在CPU里面就有了高速緩存。
也就是补胚，當(dāng)程序在運(yùn)行過(guò)程中码耐，會(huì)將運(yùn)算需要的數(shù)據(jù)從主存復(fù)制一份到CPU的高速緩存當(dāng)中，那么CPU進(jìn)行計(jì)算時(shí)就可以直接從它的高速緩存讀取數(shù)據(jù)和向其中寫(xiě)入數(shù)據(jù)溶其，當(dāng)運(yùn)算結(jié)束之后骚腥，再將高速緩存中的數(shù)據(jù)刷新到主存當(dāng)中。舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子握联，比如下面的這段代碼：
1i = i +?1;
? 當(dāng)線程執(zhí)行這個(gè)語(yǔ)句時(shí)桦沉，會(huì)先從主存當(dāng)中讀取i的值，然后復(fù)制一份到高速緩存當(dāng)中金闽，然后CPU執(zhí)行指令對(duì)i進(jìn)行加1操作纯露，然后將數(shù)據(jù)寫(xiě)入高速緩存，最后將高速緩存中i最新的值刷新到主存當(dāng)中代芜。
這個(gè)代碼在單線程中運(yùn)行是沒(méi)有任何問(wèn)題的埠褪，但是在多線程中運(yùn)行就會(huì)有問(wèn)題了。在多核CPU中，每條線程可能運(yùn)行于不同的CPU中钞速，因此每個(gè)線程運(yùn)行時(shí)有自己的高速緩存（對(duì)單核CPU來(lái)說(shuō)贷掖，其實(shí)也會(huì)出現(xiàn)這種問(wèn)題，只不過(guò)是以線程調(diào)度的形式來(lái)分別執(zhí)行的）渴语。本文我們以多核CPU為例苹威。
比如同時(shí)有2個(gè)線程執(zhí)行這段代碼，假如初始時(shí)i的值為0驾凶，那么我們希望兩個(gè)線程執(zhí)行完之后i的值變?yōu)?牙甫。但是事實(shí)會(huì)是這樣嗎？
可能存在下面一種情況：初始時(shí)调违，兩個(gè)線程分別讀取i的值存入各自所在的CPU的高速緩存當(dāng)中窟哺，然后線程1進(jìn)行加1操作，然后把i的最新值1寫(xiě)入到內(nèi)存技肩。此時(shí)線程2的高速緩存當(dāng)中i的值還是0且轨，進(jìn)行加1操作之后，i的值為1虚婿，然后線程2把i的值寫(xiě)入內(nèi)存旋奢。
最終結(jié)果i的值是1，而不是2雳锋。這就是著名的緩存一致性問(wèn)題黄绩。通常稱這種被多個(gè)線程訪問(wèn)的變量為共享變量。
也就是說(shuō)玷过，如果一個(gè)變量在多個(gè)CPU中都存在緩存（一般在多線程編程時(shí)才會(huì)出現(xiàn)）爽丹，那么就可能存在緩存不一致的問(wèn)題。
為了解決緩存不一致性問(wèn)題辛蚊，通常來(lái)說(shuō)有以下2種解決方法：
1）通過(guò)在總線加LOCK#鎖的方式
2）通過(guò)緩存一致性協(xié)議
這2種方式都是硬件層面上提供的方式粤蝎。
在早期的CPU當(dāng)中，是通過(guò)在總線上加LOCK#鎖的形式來(lái)解決緩存不一致的問(wèn)題袋马。因?yàn)镃PU和其他部件進(jìn)行通信都是通過(guò)總線來(lái)進(jìn)行的初澎，如果對(duì)總線加LOCK#鎖的話，也就是說(shuō)阻塞了其他CPU對(duì)其他部件訪問(wèn)（如內(nèi)存）虑凛，從而使得只能有一個(gè)CPU能使用這個(gè)變量的內(nèi)存碑宴。比如上面例子中 如果一個(gè)線程在執(zhí)行 i = i +1，如果在執(zhí)行這段代碼的過(guò)程中桑谍，在總線上發(fā)出了LCOK#鎖的信號(hào)延柠，那么只有等待這段代碼完全執(zhí)行完畢之后，其他CPU才能從變量i所在的內(nèi)存讀取變量锣披，然后進(jìn)行相應(yīng)的操作贞间。這樣就解決了緩存不一致的問(wèn)題贿条。
但是上面的方式會(huì)有一個(gè)問(wèn)題，由于在鎖住總線期間增热，其他CPU無(wú)法訪問(wèn)內(nèi)存整以，導(dǎo)致效率低下。
所以就出現(xiàn)了緩存一致性協(xié)議峻仇。最出名的就是Intel 的MESI協(xié)議公黑，MESI協(xié)議保證了每個(gè)緩存中使用的共享變量的副本是一致的。它核心的思想是：當(dāng)CPU寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)摄咆，如果發(fā)現(xiàn)操作的變量是共享變量帆调，即在其他CPU中也存在該變量的副本，會(huì)發(fā)出信號(hào)通知其他CPU將該變量的緩存行置為無(wú)效狀態(tài)豆同，因此當(dāng)其他CPU需要讀取這個(gè)變量時(shí)，發(fā)現(xiàn)自己緩存中緩存該變量的緩存行是無(wú)效的含鳞，那么它就會(huì)從內(nèi)存重新讀取影锈。
二.并發(fā)編程中的三個(gè)概念
在并發(fā)編程中，我們通常會(huì)遇到以下三個(gè)問(wèn)題：原子性問(wèn)題蝉绷，可見(jiàn)性問(wèn)題鸭廷，有序性問(wèn)題。我們先看具體看一下這三個(gè)概念：
1.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)被任何因素打斷熔吗，要么就都不執(zhí)行辆床。
一個(gè)很經(jīng)典的例子就是銀行賬戶轉(zhuǎn)賬問(wèn)題：
比如從賬戶A向賬戶B轉(zhuǎn)1000元，那么必然包括2個(gè)操作：從賬戶A減去1000元桅狠，往賬戶B加上1000元讼载。
試想一下，如果這2個(gè)操作不具備原子性中跌，會(huì)造成什么樣的后果咨堤。假如從賬戶A減去1000元之后，操作突然中止漩符。然后又從B取出了500元一喘，取出500元之后，再執(zhí)行 往賬戶B加上1000元 的操作嗜暴。這樣就會(huì)導(dǎo)致賬戶A雖然減去了1000元凸克，但是賬戶B沒(méi)有收到這個(gè)轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)的1000元。
所以這2個(gè)操作必須要具備原子性才能保證不出現(xiàn)一些意外的問(wèn)題闷沥。
同樣地反映到并發(fā)編程中會(huì)出現(xiàn)什么結(jié)果呢萎战？
舉個(gè)最簡(jiǎn)單的例子，大家想一下假如為一個(gè)32位的變量賦值過(guò)程不具備原子性的話狐赡，會(huì)發(fā)生什么后果撞鹉？
1i =?9;
? 假若一個(gè)線程執(zhí)行到這個(gè)語(yǔ)句時(shí)疟丙，我暫且假設(shè)為一個(gè)32位的變量賦值包括兩個(gè)過(guò)程：為低16位賦值，為高16位賦值鸟雏。
那么就可能發(fā)生一種情況：當(dāng)將低16位數(shù)值寫(xiě)入之后享郊，突然被中斷，而此時(shí)又有一個(gè)線程去讀取i的值，那么讀取到的就是錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。
2.可見(jiàn)性
可見(jiàn)性是指當(dāng)多個(gè)線程訪問(wèn)同一個(gè)變量時(shí)洋魂，一個(gè)線程修改了這個(gè)變量的值坐儿，其他線程能夠立即看得到修改的值。
舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子岔激，看下面這段代碼：
//線程1執(zhí)行的代碼
int?i =?0;
i =?10;
//線程2執(zhí)行的代碼
j = i;
? 假若執(zhí)行線程1的是CPU1，執(zhí)行線程2的是CPU2。由上面的分析可知团赏，當(dāng)線程1執(zhí)行 i =10這句時(shí)，會(huì)先把i的初始值加載到CPU1的高速緩存中耐薯，然后賦值為10舔清，那么在CPU1的高速緩存當(dāng)中i的值變?yōu)?0了，卻沒(méi)有立即寫(xiě)入到主存當(dāng)中曲初。
此時(shí)線程2執(zhí)行 j = i体谒，它會(huì)先去主存讀取i的值并加載到CPU2的緩存當(dāng)中，注意此時(shí)內(nèi)存當(dāng)中i的值還是0臼婆，那么就會(huì)使得j的值為0抒痒，而不是10.
這就是可見(jiàn)性問(wèn)題，線程1對(duì)變量i修改了之后颁褂，線程2沒(méi)有立即看到線程1修改的值故响。
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。舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子颁独，看下面這段代碼：
int?i =?0;??????????????
boolean?flag =?false;
i =?1;?//語(yǔ)句1??
flag =?true;?//語(yǔ)句2
? 上面代碼定義了一個(gè)int型變量被去，定義了一個(gè)boolean類型變量，然后分別對(duì)兩個(gè)變量進(jìn)行賦值操作奖唯。從代碼順序上看惨缆，語(yǔ)句1是在語(yǔ)句2前面的，那么JVM在真正執(zhí)行這段代碼的時(shí)候會(huì)保證語(yǔ)句1一定會(huì)在語(yǔ)句2前面執(zhí)行嗎丰捷？不一定坯墨，為什么呢？這里可能會(huì)發(fā)生指令重排序（Instruction Reorder）病往。
下面解釋一下什么是指令重排序捣染，一般來(lái)說(shuō)，處理器為了提高程序運(yùn)行效率停巷，可能會(huì)對(duì)輸入代碼進(jìn)行優(yōu)化耍攘，它不保證程序中各個(gè)語(yǔ)句的執(zhí)行先后順序同代碼中的順序一致榕栏，但是它會(huì)保證程序最終執(zhí)行結(jié)果和代碼順序執(zhí)行的結(jié)果是一致的。
比如上面的代碼中蕾各，語(yǔ)句1和語(yǔ)句2誰(shuí)先執(zhí)行對(duì)最終的程序結(jié)果并沒(méi)有影響扒磁，那么就有可能在執(zhí)行過(guò)程中，語(yǔ)句2先執(zhí)行而語(yǔ)句1后執(zhí)行式曲。
但是要注意妨托，雖然處理器會(huì)對(duì)指令進(jìn)行重排序，但是它會(huì)保證程序最終結(jié)果會(huì)和代碼順序執(zhí)行結(jié)果相同吝羞，那么它靠什么保證的呢兰伤？再看下面一個(gè)例子：
int?a =?10;?//語(yǔ)句1
int?r =?2;?//語(yǔ)句2
a = a +?3;?//語(yǔ)句3
r = a*a;?//語(yǔ)句4
? 這段代碼有4個(gè)語(yǔ)句，那么可能的一個(gè)執(zhí)行順序是：
那么可不可能是這個(gè)執(zhí)行順序呢： 語(yǔ)句2?? 語(yǔ)句1??? 語(yǔ)句4?? 語(yǔ)句3
不可能钧排，因?yàn)樘幚砥髟谶M(jìn)行重排序時(shí)是會(huì)考慮指令之間的數(shù)據(jù)依賴性敦腔，如果一個(gè)指令I(lǐng)nstruction 2必須用到Instruction 1的結(jié)果，那么處理器會(huì)保證Instruction 1會(huì)在Instruction 2之前執(zhí)行恨溜。
雖然重排序不會(huì)影響單個(gè)線程內(nèi)程序執(zhí)行的結(jié)果会烙，但是多線程呢？下面看一個(gè)例子：
//線程1:
context = loadContext();?//語(yǔ)句1
inited =?true;?//語(yǔ)句2
//線程2:
while(!inited ){
??sleep()
}
doSomethingwithconfig(context);
? 上面代碼中筒捺，由于語(yǔ)句1和語(yǔ)句2沒(méi)有數(shù)據(jù)依賴性，因此可能會(huì)被重排序纸厉。假如發(fā)生了重排序系吭，在線程1執(zhí)行過(guò)程中先執(zhí)行語(yǔ)句2，而此是線程2會(huì)以為初始化工作已經(jīng)完成颗品，那么就會(huì)跳出while循環(huán)肯尺，去執(zhí)行doSomethingwithconfig(context)方法，而此時(shí)context并沒(méi)有被初始化躯枢，就會(huì)導(dǎo)致程序出錯(cuò)则吟。
? 從上面可以看出，指令重排序不會(huì)影響單個(gè)線程的執(zhí)行锄蹂，但是會(huì)影響到線程并發(fā)執(zhí)行的正確性氓仲。
也就是說(shuō)，要想并發(fā)程序正確地執(zhí)行得糜，必須要保證原子性敬扛、可見(jiàn)性以及有序性。只要有一個(gè)沒(méi)有被保證朝抖，就有可能會(huì)導(dǎo)致程序運(yùn)行不正確啥箭。
三.Java內(nèi)存模型
在前面談到了一些關(guān)于內(nèi)存模型以及并發(fā)編程中可能會(huì)出現(xiàn)的一些問(wèn)題。下面我們來(lái)看一下Java內(nèi)存模型治宣，研究一下Java內(nèi)存模型為我們提供了哪些保證以及在java中提供了哪些方法和機(jī)制來(lái)讓我們?cè)谶M(jìn)行多線程編程時(shí)能夠保證程序執(zhí)行的正確性急侥。
在Java虛擬機(jī)規(guī)范中試圖定義一種Java內(nèi)存模型（Java Memory Model砌滞，JMM）來(lái)屏蔽各個(gè)硬件平臺(tái)和操作系統(tǒng)的內(nèi)存訪問(wèn)差異，以實(shí)現(xiàn)讓Java程序在各種平臺(tái)下都能達(dá)到一致的內(nèi)存訪問(wèn)效果坏怪。那么Java內(nèi)存模型規(guī)定了哪些東西呢贝润，它定義了程序中變量的訪問(wèn)規(guī)則，往大一點(diǎn)說(shuō)是定義了程序執(zhí)行的次序陕悬。注意题暖，為了獲得較好的執(zhí)行性能，Java內(nèi)存模型并沒(méi)有限制執(zhí)行引擎使用處理器的寄存器或者高速緩存來(lái)提升指令執(zhí)行速度捉超，也沒(méi)有限制編譯器對(duì)指令進(jìn)行重排序胧卤。也就是說(shuō)，在java內(nèi)存模型中拼岳，也會(huì)存在緩存一致性問(wèn)題和指令重排序的問(wèn)題枝誊。
Java內(nèi)存模型規(guī)定所有的變量都是存在主存當(dāng)中（類似于前面說(shuō)的物理內(nèi)存），每個(gè)線程都有自己的工作內(nèi)存（類似于前面的高速緩存）惜纸。線程對(duì)變量的所有操作都必須在工作內(nèi)存中進(jìn)行叶撒，而不能直接對(duì)主存進(jìn)行操作。并且每個(gè)線程不能訪問(wèn)其他線程的工作內(nèi)存耐版。
舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子：在java中祠够，執(zhí)行下面這個(gè)語(yǔ)句：
1i? =?10;
? 執(zhí)行線程必須先在自己的工作線程中對(duì)變量i所在的緩存行進(jìn)行賦值操作，然后再寫(xiě)入主存當(dāng)中粪牲。而不是直接將數(shù)值10寫(xiě)入主存當(dāng)中古瓤。
那么Java語(yǔ)言 本身對(duì) 原子性、可見(jiàn)性以及有序性提供了哪些保證呢腺阳？
1.原子性
在Java中落君，對(duì)基本數(shù)據(jù)類型的變量的讀取和賦值操作是原子性操作，即這些操作是不可被中斷的亭引，要么執(zhí)行绎速，要么不執(zhí)行。
上面一句話雖然看起來(lái)簡(jiǎn)單焙蚓，但是理解起來(lái)并不是那么容易纹冤。看下面一個(gè)例子i：
請(qǐng)分析以下哪些操作是原子性操作：
x =?10;?//語(yǔ)句1
y = x;?//語(yǔ)句2
x++;?//語(yǔ)句3
x = x +?1;?//語(yǔ)句4
? 咋一看购公，有些朋友可能會(huì)說(shuō)上面的4個(gè)語(yǔ)句中的操作都是原子性操作赵哲。其實(shí)只有語(yǔ)句1是原子性操作，其他三個(gè)語(yǔ)句都不是原子性操作君丁。
語(yǔ)句1是直接將數(shù)值10賦值給x枫夺，也就是說(shuō)線程執(zhí)行這個(gè)語(yǔ)句的會(huì)直接將數(shù)值10寫(xiě)入到工作內(nèi)存中。
語(yǔ)句2實(shí)際上包含2個(gè)操作绘闷，它先要去讀取x的值橡庞，再將x的值寫(xiě)入工作內(nèi)存较坛，雖然讀取x的值以及 將x的值寫(xiě)入工作內(nèi)存 這2個(gè)操作都是原子性操作，但是合起來(lái)就不是原子性操作了扒最。
同樣的丑勤，x++和 x = x+1包括3個(gè)操作：讀取x的值，進(jìn)行加1操作吧趣，寫(xiě)入新的值法竞。
? 所以上面4個(gè)語(yǔ)句只有語(yǔ)句1的操作具備原子性。
也就是說(shuō)强挫，只有簡(jiǎn)單的讀取岔霸、賦值（而且必須是將數(shù)字賦值給某個(gè)變量，變量之間的相互賦值不是原子操作）才是原子操作俯渤。
不過(guò)這里有一點(diǎn)需要注意：在32位平臺(tái)下呆细，對(duì)64位數(shù)據(jù)的讀取和賦值是需要通過(guò)兩個(gè)操作來(lái)完成的，不能保證其原子性八匠。但是好像在最新的JDK中絮爷，JVM已經(jīng)保證對(duì)64位數(shù)據(jù)的讀取和賦值也是原子性操作了。
從上面可以看出梨树，Java內(nèi)存模型只保證了基本讀取和賦值是原子性操作坑夯，如果要實(shí)現(xiàn)更大范圍操作的原子性，可以通過(guò)synchronized和Lock來(lái)實(shí)現(xiàn)抡四。由于synchronized和Lock能夠保證任一時(shí)刻只有一個(gè)線程執(zhí)行該代碼塊柜蜈，那么自然就不存在原子性問(wèn)題了，從而保證了原子性床嫌。
2.可見(jiàn)性
對(duì)于可見(jiàn)性，Java提供了volatile關(guān)鍵字來(lái)保證可見(jiàn)性胸私。
當(dāng)一個(gè)共享變量被volatile修飾時(shí)厌处，它會(huì)保證修改的值會(huì)立即被更新到主存，當(dāng)有其他線程需要讀取時(shí)岁疼，它會(huì)去內(nèi)存中讀取新值阔涉。
而普通的共享變量不能保證可見(jiàn)性，因?yàn)槠胀ü蚕碜兞勘恍薷闹蠼萑蓿裁磿r(shí)候被寫(xiě)入主存是不確定的瑰排，當(dāng)其他線程去讀取時(shí)，此時(shí)內(nèi)存中可能還是原來(lái)的舊值暖侨，因此無(wú)法保證可見(jiàn)性椭住。
另外，通過(guò)synchronized和Lock也能夠保證可見(jiàn)性字逗，synchronized和Lock能保證同一時(shí)刻只有一個(gè)線程獲取鎖然后執(zhí)行同步代碼京郑，并且在釋放鎖之前會(huì)將對(duì)變量的修改刷新到主存當(dāng)中宅广。因此可以保證可見(jiàn)性。
3.有序性
在Java內(nèi)存模型中些举，允許編譯器和處理器對(duì)指令進(jìn)行重排序跟狱，但是重排序過(guò)程不會(huì)影響到單線程程序的執(zhí)行，卻會(huì)影響到多線程并發(fā)執(zhí)行的正確性户魏。
在Java里面驶臊，可以通過(guò)volatile關(guān)鍵字來(lái)保證一定的“有序性”（具體原理在下一節(jié)講述）。另外可以通過(guò)synchronized和Lock來(lái)保證有序性叼丑，很顯然关翎，synchronized和Lock保證每個(gè)時(shí)刻是有一個(gè)線程執(zhí)行同步代碼，相當(dāng)于是讓線程順序執(zhí)行同步代碼幢码，自然就保證了有序性笤休。
另外，Java內(nèi)存模型具備一些先天的“有序性”症副，即不需要通過(guò)任何手段就能夠得到保證的有序性店雅，這個(gè)通常也稱為 happens-before 原則。如果兩個(gè)操作的執(zhí)行次序無(wú)法從happens-before原則推導(dǎo)出來(lái)贞铣，那么它們就不能保證它們的有序性闹啦，虛擬機(jī)可以隨意地對(duì)它們進(jìn)行重排序。
下面就來(lái)具體介紹下happens-before原則（先行發(fā)生原則）：
程序次序規(guī)則：一個(gè)線程內(nèi)辕坝，按照代碼順序窍奋，書(shū)寫(xiě)在前面的操作先行發(fā)生于書(shū)寫(xiě)在后面的操作
鎖定規(guī)則：一個(gè)unLock操作先行發(fā)生于后面對(duì)同一個(gè)鎖額lock操作
volatile變量規(guī)則：對(duì)一個(gè)變量的寫(xiě)操作先行發(fā)生于后面對(duì)這個(gè)變量的讀操作
傳遞規(guī)則：如果操作A先行發(fā)生于操作B，而操作B又先行發(fā)生于操作C酱畅，則可以得出操作A先行發(fā)生于操作C
線程啟動(dòng)規(guī)則：Thread對(duì)象的start()方法先行發(fā)生于此線程的每個(gè)一個(gè)動(dòng)作
線程中斷規(guī)則：對(duì)線程interrupt()方法的調(diào)用先行發(fā)生于被中斷線程的代碼檢測(cè)到中斷事件的發(fā)生
線程終結(jié)規(guī)則：線程中所有的操作都先行發(fā)生于線程的終止檢測(cè)琳袄，我們可以通過(guò)Thread.join()方法結(jié)束、Thread.isAlive()的返回值手段檢測(cè)到線程已經(jīng)終止執(zhí)行
對(duì)象終結(jié)規(guī)則：一個(gè)對(duì)象的初始化完成先行發(fā)生于他的finalize()方法的開(kāi)始
這8條原則摘自《深入理解Java虛擬機(jī)》纺酸。
這8條規(guī)則中窖逗，前4條規(guī)則是比較重要的，后4條規(guī)則都是顯而易見(jiàn)的餐蔬。
下面我們來(lái)解釋一下前4條規(guī)則：
對(duì)于程序次序規(guī)則來(lái)說(shuō)碎紊，我的理解就是一段程序代碼的執(zhí)行在單個(gè)線程中看起來(lái)是有序的。注意樊诺，雖然這條規(guī)則中提到“書(shū)寫(xiě)在前面的操作先行發(fā)生于書(shū)寫(xiě)在后面的操作”仗考，這個(gè)應(yīng)該是程序看起來(lái)執(zhí)行的順序是按照代碼順序執(zhí)行的，因?yàn)樘摂M機(jī)可能會(huì)對(duì)程序代碼進(jìn)行指令重排序词爬。雖然進(jìn)行重排序秃嗜，但是最終執(zhí)行的結(jié)果是與程序順序執(zhí)行的結(jié)果一致的，它只會(huì)對(duì)不存在數(shù)據(jù)依賴性的指令進(jìn)行重排序。因此痪寻，在單個(gè)線程中螺句，程序執(zhí)行看起來(lái)是有序執(zhí)行的，這一點(diǎn)要注意理解橡类。事實(shí)上蛇尚，這個(gè)規(guī)則是用來(lái)保證程序在單線程中執(zhí)行結(jié)果的正確性，但無(wú)法保證程序在多線程中執(zhí)行的正確性顾画。
第二條規(guī)則也比較容易理解取劫，也就是說(shuō)無(wú)論在單線程中還是多線程中，同一個(gè)鎖如果出于被鎖定的狀態(tài)研侣，那么必須先對(duì)鎖進(jìn)行了釋放操作谱邪，后面才能繼續(xù)進(jìn)行l(wèi)ock操作。
第三條規(guī)則是一條比較重要的規(guī)則庶诡，也是后文將要重點(diǎn)講述的內(nèi)容惦银。直觀地解釋就是，如果一個(gè)線程先去寫(xiě)一個(gè)變量末誓，然后一個(gè)線程去進(jìn)行讀取扯俱，那么寫(xiě)入操作肯定會(huì)先行發(fā)生于讀操作。
第四條規(guī)則實(shí)際上就是體現(xiàn)happens-before原則具備傳遞性喇澡。
四.深入剖析volatile關(guān)鍵字
在前面講述了很多東西迅栅，其實(shí)都是為講述volatile關(guān)鍵字作鋪墊，那么接下來(lái)我們就進(jìn)入主題晴玖。
1.volatile關(guān)鍵字的兩層語(yǔ)義
一旦一個(gè)共享變量（類的成員變量读存、類的靜態(tài)成員變量）被volatile修飾之后，那么就具備了兩層語(yǔ)義：
1）保證了不同線程對(duì)這個(gè)變量進(jìn)行操作時(shí)的可見(jiàn)性呕屎，即一個(gè)線程修改了某個(gè)變量的值让簿，這新值對(duì)其他線程來(lái)說(shuō)是立即可見(jiàn)的。
2）禁止進(jìn)行指令重排序秀睛。
先看一段代碼尔当，假如線程1先執(zhí)行，線程2后執(zhí)行：
//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琅催，很多人在中斷線程時(shí)可能都會(huì)采用這種標(biāo)記辦法居凶。但是事實(shí)上虫给，這段代碼會(huì)完全運(yùn)行正確么藤抡？即一定會(huì)將線程中斷么？不一定抹估，也許在大多數(shù)時(shí)候缠黍，這個(gè)代碼能夠把線程中斷，但是也有可能會(huì)導(dǎo)致無(wú)法中斷線程（雖然這個(gè)可能性很小药蜻，但是只要一旦發(fā)生這種情況就會(huì)造成死循環(huán)了）瓷式。
下面解釋一下這段代碼為何有可能導(dǎo)致無(wú)法中斷線程替饿。在前面已經(jīng)解釋過(guò)，每個(gè)線程在運(yùn)行過(guò)程中都有自己的工作內(nèi)存贸典，那么線程1在運(yùn)行的時(shí)候视卢，會(huì)將stop變量的值拷貝一份放在自己的工作內(nèi)存當(dāng)中。
那么當(dāng)線程2更改了stop變量的值之后廊驼，但是還沒(méi)來(lái)得及寫(xiě)入主存當(dāng)中据过，線程2轉(zhuǎn)去做其他事情了，那么線程1由于不知道線程2對(duì)stop變量的更改妒挎，因此還會(huì)一直循環(huán)下去绳锅。
但是用volatile修飾之后就變得不一樣了：
第一：使用volatile關(guān)鍵字會(huì)強(qiáng)制將修改的值立即寫(xiě)入主存；
第二：使用volatile關(guān)鍵字的話酝掩，當(dāng)線程2進(jìn)行修改時(shí)鳞芙，會(huì)導(dǎo)致線程1的工作內(nèi)存中緩存變量stop的緩存行無(wú)效（反映到硬件層的話，就是CPU的L1或者L2緩存中對(duì)應(yīng)的緩存行無(wú)效）期虾；
第三：由于線程1的工作內(nèi)存中緩存變量stop的緩存行無(wú)效原朝，所以線程1再次讀取變量stop的值時(shí)會(huì)去主存讀取。
那么在線程2修改stop值時(shí)（當(dāng)然這里包括2個(gè)操作彻消，修改線程2工作內(nèi)存中的值竿拆，然后將修改后的值寫(xiě)入內(nèi)存），會(huì)使得線程1的工作內(nèi)存中緩存變量stop的緩存行無(wú)效宾尚，然后線程1讀取時(shí)丙笋，發(fā)現(xiàn)自己的緩存行無(wú)效，它會(huì)等待緩存行對(duì)應(yīng)的主存地址被更新之后煌贴，然后去對(duì)應(yīng)的主存讀取最新的值御板。
那么線程1讀取到的就是最新的正確的值。
2.volatile保證原子性嗎牛郑？
從上面知道volatile關(guān)鍵字保證了操作的可見(jiàn)性怠肋，但是volatile能保證對(duì)變量的操作是原子性嗎？
下面看一個(gè)例子：
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);
????}
}
? 大家想一下這段程序的輸出結(jié)果是多少淹朋？也許有些朋友認(rèn)為是10000笙各。但是事實(shí)上運(yùn)行它會(huì)發(fā)現(xiàn)每次運(yùn)行結(jié)果都不一致，都是一個(gè)小于10000的數(shù)字础芍。
可能有的朋友就會(huì)有疑問(wèn)杈抢，不對(duì)啊，上面是對(duì)變量inc進(jìn)行自增操作仑性，由于volatile保證了可見(jiàn)性惶楼，那么在每個(gè)線程中對(duì)inc自增完之后，在其他線程中都能看到修改后的值啊，所以有10個(gè)線程分別進(jìn)行了1000次操作歼捐，那么最終inc的值應(yīng)該是1000*10=10000何陆。
這里面就有一個(gè)誤區(qū)了，volatile關(guān)鍵字能保證可見(jiàn)性沒(méi)有錯(cuò)豹储，但是上面的程序錯(cuò)在沒(méi)能保證原子性贷盲。可見(jiàn)性只能保證每次讀取的是最新的值剥扣，但是volatile沒(méi)辦法保證對(duì)變量的操作的原子性晃洒。
在前面已經(jīng)提到過(guò)，自增操作是不具備原子性的朦乏，它包括讀取變量的原始值球及、進(jìn)行加1操作、寫(xiě)入工作內(nèi)存呻疹。那么就是說(shuō)自增操作的三個(gè)子操作可能會(huì)分割開(kāi)執(zhí)行吃引，就有可能導(dǎo)致下面這種情況出現(xiàn)：
假如某個(gè)時(shí)刻變量inc的值為10，
線程1對(duì)變量進(jìn)行自增操作刽锤，線程1先讀取了變量inc的原始值镊尺，然后線程1被阻塞了；
然后線程2對(duì)變量進(jìn)行自增操作并思，線程2也去讀取變量inc的原始值庐氮，由于線程1只是對(duì)變量inc進(jìn)行讀取操作，而沒(méi)有對(duì)變量進(jìn)行修改操作宋彼，所以不會(huì)導(dǎo)致線程2的工作內(nèi)存中緩存變量inc的緩存行無(wú)效弄砍，所以線程2會(huì)直接去主存讀取inc的值，發(fā)現(xiàn)inc的值時(shí)10输涕，然后進(jìn)行加1操作音婶，并把11寫(xiě)入工作內(nèi)存，最后寫(xiě)入主存莱坎。
然后線程1接著進(jìn)行加1操作衣式，由于已經(jīng)讀取了inc的值，注意此時(shí)在線程1的工作內(nèi)存中inc的值仍然為10檐什，所以線程1對(duì)inc進(jìn)行加1操作后inc的值為11碴卧，然后將11寫(xiě)入工作內(nèi)存，最后寫(xiě)入主存乃正。
那么兩個(gè)線程分別進(jìn)行了一次自增操作后住册，inc只增加了1。
解釋到這里烫葬，可能有朋友會(huì)有疑問(wèn)界弧，不對(duì)啊，前面不是保證一個(gè)變量在修改volatile變量時(shí)搭综，會(huì)讓緩存行無(wú)效嗎垢箕？然后其他線程去讀就會(huì)讀到新的值，對(duì)兑巾，這個(gè)沒(méi)錯(cuò)条获。這個(gè)就是上面的happens-before規(guī)則中的volatile變量規(guī)則，但是要注意蒋歌，線程1對(duì)變量進(jìn)行讀取操作之后帅掘，被阻塞了的話，并沒(méi)有對(duì)inc值進(jìn)行修改堂油。然后雖然volatile能保證線程2對(duì)變量inc的值讀取是從內(nèi)存中讀取的修档，但是線程1沒(méi)有進(jìn)行修改，所以線程2根本就不會(huì)看到修改的值府框。
根源就在這里吱窝，自增操作不是原子性操作，而且volatile也無(wú)法保證對(duì)變量的任何操作都是原子性的迫靖。
把上面的代碼改成以下任何一種都可以達(dá)到效果：
采用synchronized：
publicclass Test {
? ? publicintinc = 0;
? ? publicsynchronizedvoid increase() {
? ? ? ? inc++;
? ? }
? ? publicstaticvoid main(String[] args) {
? ? ? ? finalTest test =new Test();
? ? ? ? for(inti=0;i<10;i++){
? ? ? ? ? ? new Thread(){
? ? ? ? ? ? ? ? publicvoid run() {
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? for(intj=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);
? ? }
}
采用Lock：
publicclass Test {
? ? publicintinc = 0;
? ? Lock lock =new ReentrantLock();
? ? publicvoid increase() {
? ? ? ? lock.lock();
? ? ? ? try {
? ? ? ? ? ? inc++;
? ? ? ? } finally{
? ? ? ? ? ? lock.unlock();
? ? ? ? }
? ? }
? ? publicstaticvoid main(String[] args) {
? ? ? ? finalTest test =new Test();
? ? ? ? for(inti=0;i<10;i++){
? ? ? ? ? ? new Thread(){
? ? ? ? ? ? ? ? publicvoid run() {
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? for(intj=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);
? ? }
}
采用AtomicInteger：
publicclass Test {
? ? publicAtomicInteger inc =new AtomicInteger();
? ? publicvoid increase() {
? ? ? ? inc.getAndIncrement();
? ? }
? ? publicstaticvoid main(String[] args) {
? ? ? ? finalTest test =new Test();
? ? ? ? for(inti=0;i<10;i++){
? ? ? ? ? ? new Thread(){
? ? ? ? ? ? ? ? publicvoid run() {
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? for(intj=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);
? ? }
}
在java 1.5的java.util.concurrent.atomic包下提供了一些原子操作類院峡，即對(duì)基本數(shù)據(jù)類型的 自增（加1操作）穗酥，自減（減1操作）优烧、以及加法操作（加一個(gè)數(shù)），減法操作（減一個(gè)數(shù)）進(jìn)行了封裝铃拇，保證這些操作是原子性操作盹牧。atomic是利用CAS來(lái)實(shí)現(xiàn)原子性操作的（Compare And Swap）俩垃，CAS實(shí)際上是利用處理器提供的CMPXCHG指令實(shí)現(xiàn)的，而處理器執(zhí)行CMPXCHG指令是一個(gè)原子性操作汰寓。
3.volatile能保證有序性嗎吆寨？
在前面提到volatile關(guān)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踩寇。
volatile關(guān)鍵字禁止指令重排序有兩層意思：
1）當(dāng)程序執(zhí)行到volatile變量的讀操作或者寫(xiě)操作時(shí)啄清，在其前面的操作的更改肯定全部已經(jīng)進(jìn)行，且結(jié)果已經(jīng)對(duì)后面的操作可見(jiàn)俺孙；在其后面的操作肯定還沒(méi)有進(jìn)行辣卒；
2）在進(jìn)行指令優(yōu)化時(shí)，不能將在對(duì)volatile變量訪問(wèn)的語(yǔ)句放在其后面執(zhí)行睛榄，也不能把volatile變量后面的語(yǔ)句放到其前面執(zhí)行荣茫。
可能上面說(shuō)的比較繞，舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子：
//x场靴、y為非volatile變量
//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變量為volatile變量啡莉，那么在進(jìn)行指令重排序的過(guò)程的時(shí)候港准，不會(huì)將語(yǔ)句3放到語(yǔ)句1、語(yǔ)句2前面咧欣，也不會(huì)講語(yǔ)句3放到語(yǔ)句4浅缸、語(yǔ)句5后面。但是要注意語(yǔ)句1和語(yǔ)句2的順序魄咕、語(yǔ)句4和語(yǔ)句5的順序是不作任何保證的衩椒。
并且volatile關(guān)鍵字能保證，執(zhí)行到語(yǔ)句3時(shí)哮兰，語(yǔ)句1和語(yǔ)句2必定是執(zhí)行完畢了的毛萌，且語(yǔ)句1和語(yǔ)句2的執(zhí)行結(jié)果對(duì)語(yǔ)句3、語(yǔ)句4喝滞、語(yǔ)句5是可見(jiàn)的阁将。
那么我們回到前面舉的一個(gè)例子：
//線程1:
context = loadContext();?//語(yǔ)句1
inited =?true;?//語(yǔ)句2
//線程2:
while(!inited ){
??sleep()
}
doSomethingwithconfig(context);
? 前面舉這個(gè)例子的時(shí)候，提到有可能語(yǔ)句2會(huì)在語(yǔ)句1之前執(zhí)行右遭，那么久可能導(dǎo)致context還沒(méi)被初始化冀痕，而線程2中就使用未初始化的context去進(jìn)行操作，導(dǎo)致程序出錯(cuò)狸演。
這里如果用volatile關(guān)鍵字對(duì)inited變量進(jìn)行修飾言蛇，就不會(huì)出現(xiàn)這種問(wèn)題了，因?yàn)楫?dāng)執(zhí)行到語(yǔ)句2時(shí)宵距，必定能保證context已經(jīng)初始化完畢腊尚。
4.volatile的原理和實(shí)現(xiàn)機(jī)制
前面講述了源于volatile關(guān)鍵字的一些使用，下面我們來(lái)探討一下volatile到底如何保證可見(jiàn)性和禁止指令重排序的满哪。
下面這段話摘自《深入理解Java虛擬機(jī)》：
“觀察加入volatile關(guān)鍵字和沒(méi)有加入volatile關(guān)鍵字時(shí)所生成的匯編代碼發(fā)現(xiàn)婿斥，加入volatile關(guān)鍵字時(shí)，會(huì)多出一個(gè)lock前綴指令”
lock前綴指令實(shí)際上相當(dāng)于一個(gè)內(nèi)存屏障（也成內(nèi)存柵欄）哨鸭，內(nèi)存屏障會(huì)提供3個(gè)功能：
1）它確保指令重排序時(shí)不會(huì)把其后面的指令排到內(nèi)存屏障之前的位置民宿，也不會(huì)把前面的指令排到內(nèi)存屏障的后面；即在執(zhí)行到內(nèi)存屏障這句指令時(shí)像鸡，在它前面的操作已經(jīng)全部完成活鹰；
2）它會(huì)強(qiáng)制將對(duì)緩存的修改操作立即寫(xiě)入主存；
3）如果是寫(xiě)操作只估，它會(huì)導(dǎo)致其他CPU中對(duì)應(yīng)的緩存行無(wú)效志群。
五.使用volatile關(guān)鍵字的場(chǎng)景
synchronized關(guān)鍵字是防止多個(gè)線程同時(shí)執(zhí)行一段代碼，那么就會(huì)很影響程序執(zhí)行效率蛔钙，而volatile關(guān)鍵字在某些情況下性能要優(yōu)于synchronized锌云，但是要注意volatile關(guān)鍵字是無(wú)法替代synchronized關(guān)鍵字的，因?yàn)関olatile關(guān)鍵字無(wú)法保證操作的原子性吁脱。通常來(lái)說(shuō)桑涎，使用volatile必須具備以下2個(gè)條件：
1）對(duì)變量的寫(xiě)操作不依賴于當(dāng)前值
2）該變量沒(méi)有包含在具有其他變量的不變式中
實(shí)際上彬向，這些條件表明，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)攻冷，包括變量的當(dāng)前狀態(tài)娃胆。
事實(shí)上，我的理解就是上面的2個(gè)條件需要保證操作是原子性操作讲衫，才能保證使用volatile關(guān)鍵字的程序在并發(fā)時(shí)能夠正確執(zhí)行。
下面列舉幾個(gè)Java中使用volatile的幾個(gè)場(chǎng)景孵班。
1.狀態(tài)標(biāo)記量
volatile?boolean?flag =?false;
while(!flag){
????doSomething();
}
public?void?setFlag() {
????flag =?true;
}
volatile?boolean?inited =?false;
//線程1:
context = loadContext();??
inited =?true;????????????
//線程2:
while(!inited ){
sleep()
}
doSomethingwithconfig(context);
2.double check
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;
????}
}
? 至于為何需要這么寫(xiě)請(qǐng)參考：
《Java 中的雙重檢查（Double-Check）》http://blog.csdn.net/dl88250/article/details/5439024
和http://www.iteye.com/topic/652440
參考資料：
《Java編程思想》
《深入理解Java虛擬機(jī)》
http://jiangzhengjun.iteye.com/blog/652532
http://blog.sina.com.cn/s/blog_7bee8dd50101fu8n.html
http://blog.csdn.net/ccit0519/article/details/11241403
http://blog.csdn.net/ns_code/article/details/17101369
http://www.cnblogs.com/kevinwu/archive/2012/05/02/2479464.html
http://www.cppblog.com/elva/archive/2011/01/21/139019.html
http://ifeve.com/volatile-array-visiblity/
http://www.bdqn.cn/news/201312/12579.shtml
