前言

有時僅僅為了讀寫一個或者兩個實例域就使用同步的話，顯得開銷過大，volatile關鍵字為實例域的同步訪問提供了免鎖的機制。如果聲明一個域為volatile,那么編譯器和虛擬機就知道該域是可能被另一個線程并發(fā)更新的。再講到volatile關鍵字之前我們需要了解一下內存模型的相關概念以及并發(fā)編程中的三個特性：原子性，可見性和有序性。

1. java內存模型與原子性，可見性和有序性

Java內存模型規(guī)定所有的變量都是存在主存當中，每個線程都有自己的工作內存。線程對變量的所有操作都必須在工作內存中進行，而不能直接對主存進行操作。并且每個線程不能訪問其他線程的工作內存。
在java中，執(zhí)行下面這個語句：

int i=3;

執(zhí)行線程必須先在自己的工作線程中對變量i所在的緩存行進行賦值操作，然后再寫入主存當中。而不是直接將數(shù)值3寫入主存當中。
那么Java語言 本身對 原子性、可見性以及有序性提供了哪些保證呢？

原子性

對基本數(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，要么執(zhí)行，要么不執(zhí)行。
來看一下下面的代碼：

x = 10;    //語句1
y = x;     //語句2
x++;      //語句3
x = x + 1;   //語句4

只有語句1是原子性操作，其他三個語句都不是原子性操作。
語句2實際上包含2個操作，它先要去讀取x的值，再將x的值寫入工作內存，雖然讀取x的值以及 將x的值寫入工作內存 這2個操作都是原子性操作，但是合起來就不是原子性操作了。
同樣的，x++和 x = x+1包括3個操作：讀取x的值，進行加1操作，寫入新的值。
也就是說，只有簡單的讀取、賦值（而且必須是將數(shù)字賦值給某個變量，變量之間的相互賦值不是原子操作）才是原子操作。
java.util.concurrent.atomic包中有很多類使用了很高效的機器級指令（而不是使用鎖）來保證其他操作的原子性。例如AtomicInteger類提供了方法incrementAndGet和decrementAndGet，它們分別以原子方式將一個整數(shù)自增和自減?？梢园踩厥褂肁tomicInteger類作為共享計數(shù)器而無需同步。
另外這個包還包含AtomicBoolean，AtomicLong和AtomicReference這些原子類僅供開發(fā)并發(fā)工具的系統(tǒng)程序員使用，應用程序員不應該使用這些類。

可見性

可見性，是指線程之間的可見性，一個線程修改的狀態(tài)對另一個線程是可見的。也就是一個線程修改的結果。另一個線程馬上就能看到。
當一個共享變量被volatile修飾時，它會保證修改的值會立即被更新到主存，所以對其他線程是可見的，當有其他線程需要讀取時，它會去內存中讀取新值。
而普通的共享變量不能保證可見性，因為普通共享變量被修改之后，什么時候被寫入主存是不確定的，當其他線程去讀取時，此時內存中可能還是原來的舊值，因此無法保證可見性。

有序性

在Java內存模型中，允許編譯器和處理器對指令進行重排序，但是重排序過程不會影響到單線程程序的執(zhí)行，卻會影響到多線程并發(fā)執(zhí)行的正確性。
可以通過volatile關鍵字來保證一定的“有序性”。另外可以通過synchronized和Lock來保證有序性，很顯然，synchronized和Lock保證每個時刻是有一個線程執(zhí)行同步代碼，相當于是讓線程順序執(zhí)行同步代碼，自然就保證了有序性。

2. volatile關鍵字

一旦一個共享變量（類的成員變量、類的靜態(tài)成員變量）被volatile修飾之后，那么就具備了兩層語義：

• 保證了不同線程對這個變量進行操作時的可見性，即一個線程修改了某個變量的值，這新值對其他線程來說是立即可見的。
• 禁止進行指令重排序。
  

先看一段代碼，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;

很多人在中斷線程時可能都會采用這種標記辦法。但是事實上，這段代碼會完全運行正確么？即一定會將線程中斷么？不一定，也許在大多數(shù)時候，這個代碼能夠把線程中斷，但是也有可能會導致無法中斷線程（雖然這個可能性很小，但是只要一旦發(fā)生這種情況就會造成死循環(huán)了）。
為何有可能導致無法中斷線程？每個線程在運行過程中都有自己的工作內存，那么線程1在運行的時候，會將stop變量的值拷貝一份放在自己的工作內存當中。那么當線程2更改了stop變量的值之后，但是還沒來得及寫入主存當中，線程2轉去做其他事情了，那么線程1由于不知道線程2對stop變量的更改，因此還會一直循環(huán)下去。
但是用volatile修飾之后就變得不一樣了：

• 使用volatile關鍵字會強制將修改的值立即寫入主存；
• 使用volatile關鍵字的話，當線程2進行修改時，會導致線程1的工作內存中緩存變量stop的緩存行無效；
• 由于線程1的工作內存中緩存變量stop的緩存行無效，所以線程1再次讀取變量stop的值時會去主存讀取。
  

volatile保證原子性嗎？

我們知道volatile關鍵字保證了操作的可見性，但是volatile能保證對變量的操作是原子性嗎？

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();
    }
     //保證前面的線程都執(zhí)行完
    while(Thread.activeCount()>1) 
      Thread.yield();
    System.out.println(test.inc);
  }
}

這段代碼每次運行結果都不一致，都是一個小于10000的數(shù)字，在前面已經(jīng)提到過，自增操作是不具備原子性的，它包括讀取變量的原始值、進行加1操作、寫入工作內存。那么就是說自增操作的三個子操作可能會分割開執(zhí)行。
假如某個時刻變量inc的值為10，線程1對變量進行自增操作，線程1先讀取了變量inc的原始值，然后線程1被阻塞了；然后線程2對變量進行自增操作，線程2也去讀取變量inc的原始值，由于線程1只是對變量inc進行讀取操作，而沒有對變量進行修改操作，所以不會導致線程2的工作內存中緩存變量inc的緩存行無效，所以線程2會直接去主存讀取inc的值，發(fā)現(xiàn)inc的值時10，然后進行加1操作，并把11寫入工作內存，最后寫入主存。然后線程1接著進行加1操作，由于已經(jīng)讀取了inc的值，注意此時在線程1的工作內存中inc的值仍然為10，所以線程1對inc進行加1操作后inc的值為11，然后將11寫入工作內存，最后寫入主存。那么兩個線程分別進行了一次自增操作后，inc只增加了1。
自增操作不是原子性操作，而且volatile也無法保證對變量的任何操作都是原子性的。

volatile能保證有序性嗎？

在前面提到volatile關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。
volatile關鍵字禁止指令重排序有兩層意思：

• 當程序執(zhí)行到volatile變量的讀操作或者寫操作時，在其前面的操作的更改肯定全部已經(jīng)進行，且結果已經(jīng)對后面的操作可見；在其后面的操作肯定還沒有進行；
• 在進行指令優(yōu)化時，不能將在對volatile變量訪問的語句放在其后面執(zhí)行，也不能把volatile變量后面的語句放到其前面執(zhí)行。

3. 正確使用volatile關鍵字

synchronized關鍵字是防止多個線程同時執(zhí)行一段代碼，那么就會很影響程序執(zhí)行效率，而volatile關鍵字在某些情況下性能要優(yōu)于synchronized，但是要注意volatile關鍵字是無法替代synchronized關鍵字的，因為volatile關鍵字無法保證操作的原子性。通常來說，使用volatile必須具備以下2個條件：

• 對變量的寫操作不依賴于當前值
• 該變量沒有包含在具有其他變量的不變式中
  

第一個條件就是不能是自增自減等操作，上文已經(jīng)提到volatile不保證原子性。
第二個條件我們來舉個例子它包含了一個不變式 ：下界總是小于或等于上界

public class NumberRange {
  private volatile int lower, upper;
  public int getLower() { return lower; }
  public int getUpper() { return upper; }
  public void setLower(int value) { 
    if (value > upper) 
      throw new IllegalArgumentException(...);
    lower = value;
  }
  public void setUpper(int value) { 
    if (value < lower) 
      throw new IllegalArgumentException(...);
    upper = value;
  }
}

這種方式限制了范圍的狀態(tài)變量，因此將 lower 和 upper 字段定義為 volatile 類型不能夠充分實現(xiàn)類的線程安全，從而仍然需要使用同步。否則，如果湊巧兩個線程在同一時間使用不一致的值執(zhí)行 setLower 和 setUpper 的話，則會使范圍處于不一致的狀態(tài)。例如，如果初始狀態(tài)是 (0, 5)，同一時間內，線程 A 調用 setLower(4) 并且線程 B 調用 setUpper(3)，顯然這兩個操作交叉存入的值是不符合條件的，那么兩個線程都會通過用于保護不變式的檢查，使得最后的范圍值是 (4, 3)，這顯然是不對的。
其實就是要保證操作的原子性就可以使用volatile，使用volatile主要有兩個場景:

狀態(tài)標志

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

很可能會從循環(huán)外部調用 shutdown() 方法 —— 即在另一個線程中 —— 因此，需要執(zhí)行某種同步來確保正確實現(xiàn) shutdownRequested 變量的可見性。然而，使用 synchronized 塊編寫循環(huán)要比使用volatile 狀態(tài)標志編寫麻煩很多。由于 volatile 簡化了編碼，并且狀態(tài)標志并不依賴于程序內任何其他狀態(tài)，因此此處非常適合使用 volatile。

雙重檢查模式 （DCL）

public class Singleton { 
  private volatile static Singleton instance = null; 
  public static Singleton getInstance() { 
    if (instance == null) { 
      synchronized(this) { 
        if (instance == null) { 
          instance = new Singleton(); 
        } 
      } 
    } 
    return instance; 
  } 
} 

在這里使用volatile會或多或少的影響性能，但考慮到程序的正確性，犧牲這點性能還是值得的。
DCL優(yōu)點是資源利用率高，第一次執(zhí)行getInstance時單例對象才被實例化，效率高。缺點是第一次加載時反應稍慢一些，在高并發(fā)環(huán)境下也有一定的缺陷，雖然發(fā)生的概率很小。
DCL雖然在一定程度解決了資源的消耗和多余的同步，線程安全等問題，但是他還是在某些情況會出現(xiàn)失效的問題，也就是DCL失效，在《java并發(fā)編程實踐》一書建議用以下的代碼(靜態(tài)內部類單例模式）來替代DCL：

public class Singleton { 
  private Singleton(){
  }
   public static Singleton getInstance(){ 
    return SingletonHolder.sInstance; 
  } 
  private static class SingletonHolder { 
    private static final Singleton sInstance = new Singleton(); 
  } 
} 

關于雙重檢查可以查看

4. 總結

與鎖相比，Volatile 變量是一種非常簡單但同時又非常脆弱的同步機制，它在某些情況下將提供優(yōu)于鎖的性能和伸縮性。如果嚴格遵循 volatile 的使用條件即變量真正獨立于其他變量和自己以前的值 ，在某些情況下可以使用 volatile 代替 synchronized 來簡化代碼。然而，使用 volatile 的代碼往往比使用鎖的代碼更加容易出錯。本文介紹了可以使用 volatile 代替 synchronized 的最常見的兩種用例，其他的情況我們最好還是去使用synchronized 。

以上就是本文的全部內容，希望對大家的學習有所幫助。