并发编程学习之volatile关键字

一、简介

二、volatile使用场景 - 保证可见性

三、volatile使用场景 - 禁止指令重排序

四、volatile使用场景 - 不保证原子性

五、总结

一、简介

volatile，是Java中的一个关键字。被volatile修饰的变量，在多个线程中保持可见性，注意，volatile不保证原子性，这也是volatile与synchronized的区别之一。

volatile关键字只保证可见性，不能保证原子性。

什么是可见性？

可见性是指当多个线程访问同一个变量时，一个线程如果修改了这个变量的值，其他线程能够立即看得到修改之后的值。

在了解volatile的工作原理之前，首先需要了解一下Java内存模型，如下图：

在Java中，每个线程都有一个独立的内存空间，称为工作内存。它保存了用于执行操作的不同变量的值。在执行操作之后，线程将变量的更新值复制到主内存中，这样其他线程可以从主内存中读取最新值。

二、volatile使用场景 - 保证可见性

如果需要保证某个变量在多个线程之间可见性的时候，可以使用volatile关键字进行修饰。我们来看一个例子：

public class T03_Volatile {/*** 如果没有加volatile修饰,线程A由于死循环，可能没有及时从主内存读取最新的running值* 加了volatile修饰，一旦running的值发生变化，就会通知其他线程需要从主内存重新获取值*/private volatile boolean running = true;private void m1() {while (running) {System.out.println("hello....");}}public static void main(String[] args) {T03_Volatile t03_volatile = new T03_Volatile();new Thread(t03_volatile::m1, "A").start();try {TimeUnit.SECONDS.sleep(2);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}t03_volatile.running = false;}
}

注意：上述程序有可能会出现在没加volatile关键字的情况下，线程A也能及时读取到最新的running值，这主要是由于CPU可能暂时空闲，自动从主内存同步了最新的running到线程A中，导致线程A执行结束。

三、volatile使用场景 - 禁止指令重排序

指令重排序，简单理解就是说，保证代码按照我们写的顺序执行。被volatile修饰了的变量，禁止了指令进行重排序，所以可以保证代码完全按照我们编写的顺序执行（不保证程序中各个语句的执行先后顺序同代码中的顺序一致，但是它会保证程序最终执行结果和代码顺序执行的结果是一致的）。

比较典型的例子就是双重检查机制的单例模式，简称DCL单例，具体代码如下：

高频面试题：DCL(Double Check Lock)双重检查单例模式，为什么需要加volatile关键字？主要考点其实就是volatile禁止指令重排。

public class T03_Volatile {/*** 加入volatile关键字修饰*/private volatile static T03_Volatile instance = null;private T03_Volatile() {}public static T03_Volatile getInstance() {if (null == instance) {synchronized (T03_Volatile.class) {if (null == instance) {instance = new T03_Volatile();}}}return instance;}
}

注意我们创建实例的语句 instance = new T03_Volatile()，实际上底层分为三个步骤：

1、分配对象的内存空间；
2、初始化对象；
3、设置实例对象指向刚分配的内存地址；

分析：

步骤2【初始化对象】需要依赖于步骤1【分配对象的内存空间】，但是步骤3【设置实例对象指向刚分配的内存地址】不需要依赖步骤2【初始化对象】，所以有可能出现1,3,2的执行顺序，当出现这种顺序的时候，虽然instance不为空，但是此时对象有可能没有正确初始化，直接拿来使用的话可能会报错。

四、volatile使用场景 - 不保证原子性

volatile关键字不能保证原子性。也就是说，对volatile修饰的变量进行的操作，不保证多线程安全。我们看一个案例：

public class T03_Volatile {private static CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(500);private volatile static int num = 0;public static void main(String[] args) {for (int i = 0; i < 500; i++) {new Thread(() -> {try {TimeUnit.MICROSECONDS.sleep(400);num++;} catch (Exception e) {e.printStackTrace();} finally {countDownLatch.countDown();}}).start();}try {countDownLatch.await();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println("num = " + num);}
}

运行结果：多运行几次，发现结果不固定，有时候会是500，有时候是495，有时候是497，这就证明了volatile不保证原子性。

原因解析：

num++操作并不是原子操作，实际上num++的操作分成了三个步骤进行：

//获取变量的值
int temp = num;
//将该变量的值+1
num = num + 1;
//将该变量的值写回到对应的主内存中
num = temp;

举一个例子：

假设线程A首次拿到的num = 3，在执行+1操作前，可能存在其他多个线程已经对num做了修改，假设此时主内存中的num已经被修改到20了，而此时线程A执行+1操作，将num=3+1=4的结果又重新写回到了主内存中，将原本num应该是num = 20 + 1 = 21的，被线程A回写之后覆盖成了4，因此总的结果小于或者等于500，这就存在了原子性问题。

五、总结

本篇文章介绍了volatile关键字的基本用法，以及通过案例讲解了volatile在内存可见性、指令重排序方面的作用。总结一句话：

volatile关键字保证内存可见性，能禁止指令重排序，但是注意它不保证原子性，所以volatile不能完全替代synchronized关键字，因为synchronized保证原子性的。