Java成神之路——volatile是什么？

volatile 是什么？

java虚拟体提供的轻量级同步机制，可以保证内存可见性，不能保证原子性，禁止指令重排序

java内存模型

java memory model。java内存模型一种抽象概念或规范，通过这组规范定义了程序访问变量（实力字段，静态字段，数组元素等）的访问方式。

JVM运行程序的实体是线程，每个线程在创建是JVM都会为其创建一个工作内存或称栈空间，工作内存是每个线程私有的数据区域，而java内存模型中规定变量都是存储在主内存中，主内存是线程共享的内存区域，所有线程都可以访问，但线程对变量的操作必须在工作内存中进行，首先要将变量从主内存中拷贝到自己的工作内存中，对变量进行操作，操作完成后写会主存中，不能直接操作主内存中的变量，各个线程中的工作内存中存储着主内存中变量的副本，线程之间无法访问对方的工作内存，线程间的通信（值的传递）必须通过主内存来完成。

内存可见性测试

class MyData{int number = 0;public void addNumber(){this.number = 10;System.out.println("number值改为10");}
}public class TestVolatile {public static void main(String[] args) {MyData myData = new MyData();// 开启一个新的线程延时3毫秒后改变number的值new Thread(()->{try {Thread.sleep(3);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}myData.addNumber();System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"修改了myData的number值");},"线程A").start();// 如果myData的number一直为0则程序死循环不结束while(myData.number == 0){}System.out.println("main线程结束，myData.number != 0 ");}
}

程序运行结果出乎意料，在线程A修改number的值后并没有正常的结束，由于while条件判断执行的很快，没有时间去主存中读取已经被线程A修改后的number值，一直在判断的是main线程工作内存中的number的副本。（可以在while中添加延时操作，这样main线程有机会重新加载主存中的值也可以结束），正常情况下JMM不能保证内存可见性，线程A修改变量number，对于main线程不是实时可见的。在number成员变量前添加 volatile 修饰 保证内存可见，程序即可正常退出。

不保证原子性测试

volatile并不能保证变量操作的原子执行，只能保证变量的修改时其他线程实时可见。(++操作不是原子的)，如果想要保证原子性，可以使用synchronized、ReentrantLock或AtomicInteger

class MyData2 {volatile int number = 0;public void addNumber() {this.number++;}
}public class TestVolatileAtomic {public static void main(String[] args) {MyData2 myData = new MyData2();for (int i = 0; i < 10; i++) {new Thread(() -> {for (int j = 0; j < 1000; j++) {myData.addNumber(); }}, String.valueOf(i)).start();}// 如果有多余的线程，main线程与gc共2个while (Thread.activeCount() > 2) {Thread.yield();}System.out.println(myData.number);}
}

为什么volatile可以保证内存可见？

Java内存模型也规定了工作内存与主内存之间交互的协议，定义了8种原子操作：

lock：将主内存的变量锁定，为一个线程所独占。
unlock：将lock加的锁定解除，此时其他线程可以有机会访问此变量。
read：将主内存中的变量值读到工作线程中。
load：将read读取到的值保存到工作内存中的变量副本中。
use：将值传递给线程的代码执行引擎。
assign：将执行引擎处理返回的值重新赋值给变量副本。
store：将变量副本的值存储到主内存中。
write：将store存储的值写入到主内存的共享变量中。

lock、unlock是同步锁所产生的（如：synchronized、com.util.concurrent中的原子类）。

volatile 的作用就是保证【read、load、use】与【assign、store、write】这每组里面的操作都是有序的，强制，三条指令一起执行，实际意义就是，每次使用变量都从主内存中读取，每次修改完变量都立即刷新回主存中。

volatile禁止指令重排

指令重排序是JVM为了优化指令，提高程序运行效率，在不影响单线程程序执行结果的前提下，尽可能地提高并行度。

int a = 10; // 1
int b = 20; // 2
int c = a*b; // 3

1,2的执行顺序，并不影响步骤3的执行结果，程序在运行期间可能根据情况对指令进行重排序提升运行效率。

重排序带来的问题

一个经典的案例就是双重检测锁实现单例模式。

public class Singleton {private static Singleton instance = null;private Singleton() { }public static Singleton getInstance() {if(instance == null) {synchronzied(Singleton.class) {if(instance == null) {instance = new Singleton();  //非原子操作}}}return instance;}
}

由于jvm可能会对非原子操作进行重排序，这就会带来一些问题。

instance = new Singleton();

对象的new操作并不是原子性的。实际上new操作可抽象为三个操作指令

memory =allocate();
instance =memory;
ctorInstance(memory);

分配内存空间
instance引用指向分配的内存空间
使用分配的内存初始化对象

如果jvm对new操作进行了指令重排可能会是这样

memory =allocate();
instance =memory;
ctorInstance(memory)

分配内存空间
instance引用指向分配的内存空间
初始化对象

这就会带了一个问题，在多线程中，线程A第一次获取单实例执行new Singleton操作，instace为null，在执行memory =allocate();instance =memory;操作后发生线程的切换，线程B获取单实例，但这时instance引用指向了分配的内存已经不为空，但内存的初始化工作还没有执行，这就让线程B拿到了一个未初始化完成的对象，给instance添加volatile修饰禁止指令重排问题解决。

总结

volatile的关键作用

保证多线程环境中，变量在线程之间的实时可见（在AQS，原子变量中都有使用）。
防止指令重排序。

切记 volatile无法保证原子性
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