<h1 id="前言"><a href="#前言" class="headerlink" title="前言"></a>前言</h1><p>今天介绍下volatile关键字，volatile这个关键字可能不少朋友都据说过，或许也都用过。在Java 5以前，它是一个备受争议的关键字，由于在程序中使用它每每会致使出人意料的结果。在Java 5以后，volatile关键字才得以重获生机。</p>

正文

volatile关键字虽然从字面上理解起来比较简单，可是要用好不是一件容易的事情。因为volatile关键字是与Java的内存模型有关的。因此让咱们先来了解下Java的内存模型。java

Java内存模型

Java内存模型规定全部的变量都是存在主存当中（相似于前面说的物理内存），每一个线程都有本身的工做内存（相似于前面的高速缓存）。线程对变量的全部操做都必须在工做内存中进行，而不能直接对主存进行操做。而且每一个线程不能访问其余线程的工做内存。以下图：
c++

看个例子：
编程

public class VolatileExample extends Thread{
    //设置类静态变量,各线程访问这同一共享变量
    private  static boolean flag = false;
    //无限循环,等待flag变为true时才跳出循环
   public void run() {
       while (!flag){
       };
       System.out.println("中止了");
   }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        new VolatileExample().start();
        //sleep的目的是等待线程启动完毕,也就是说进入run的无限循环体了
        Thread.sleep(100);
        flag = true;
    }
}

这段代码是很典型的一段代码，不少人在中断线程时可能都会采用这种标记办法。可是事实上，这段代码会彻底运行正确么？即必定会将线程中断么？不必定，也许在大多数时候，这个代码可以把线程中断，可是也有可能会致使没法中断线程（虽然这个可能性很小，可是只要一旦发生这种状况就会形成死循环了）。
我执行后发现上面的程序一直在while循环，不会打印“中止了”这条信息，为何呢？不是有设置flag=true吗？
下面解释一下这段代码为什么有可能致使没法中断线程。在前面已经解释过，每一个线程在运行过程当中都有本身的工做内存，那么线程VolatileExample在运行的时候，会将flag变量的值拷贝一份放在本身的工做内存当中。
那么当线程main更改了flag变量的值以后，可是还没来得及写入主存当中，线程main转去作其余事情了，那么线程VolatileExample因为不知道线程main对flag变量的更改，所以还会一直循环下去。后端

线程中的三个概念

1.原子性
在Java中，对基本数据类型的变量的读取和赋值操做是原子性操做，即这些操做是不可被中断的，要么执行，要么不执行。设计模式

上面一句话虽然看起来简单，可是理解起来并非那么容易。看下面一个例子i：缓存

请分析如下哪些操做是原子性操做：
多线程

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

咋一看，有些朋友可能会说上面的4个语句中的操做都是原子性操做。其实只有语句1是原子性操做，其余三个语句都不是原子性操做。并发

语句1是直接将数值10赋值给x，也就是说线程执行这个语句的会直接将数值10写入到工做内存中。app

语句2实际上包含2个操做，它先要去读取x的值，再将x的值写入工做内存，虽然读取x的值以及将x的值写入工做内存这2个操做都是原子性操做，可是合起来就不是原子性操做了。

一样的，x++和 x = x+1包括3个操做：读取x的值，进行加1操做，写入新的值。

因此上面4个语句只有语句1的操做具有原子性。

也就是说，只有简单的读取、赋值（并且必须是将数字赋值给某个变量，变量之间的相互赋值不是原子操做）才是原子操做。

不过这里有一点须要注意：在32位平台下，对64位数据的读取和赋值是须要经过两个操做来完成的，不能保证其原子性。可是好像在最新的JDK中，JVM已经保证对64位数据的读取和赋值也是原子性操做了。

从上面能够看出，Java内存模型只保证了基本读取和赋值是原子性操做，若是要实现更大范围操做的原子性，能够经过synchronized和Lock来实现。因为synchronized和Lock可以保证任一时刻只有一个线程执行该代码块，那么天然就不存在原子性问题了，从而保证了原子性。

2.可见性

对于可见性，Java提供了volatile关键字来保证可见性。

当一个共享变量被volatile修饰时，它会保证修改的值会当即被更新到主存，当有其余线程须要读取时，它会去内存中读取新值。

而普通的共享变量不能保证可见性，由于普通共享变量被修改以后，何时被写入主存是不肯定的，当其余线程去读取时，此时内存中可能仍是原来的旧值，所以没法保证可见性。

另外，经过synchronized和Lock也可以保证可见性，synchronized和Lock能保证同一时刻只有一个线程获取锁而后执行同步代码，而且在释放锁以前会将对变量的修改刷新到主存当中。所以能够保证可见性。

3.有序性

在Java内存模型中，容许编译器和处理器对指令进行重排序，可是重排序过程不会影响到单线程程序的执行，却会影响到多线程并发执行的正确性。

在Java里面，能够经过volatile关键字来保证必定的“有序性”（具体原理在下一节讲述）。另外能够经过synchronized和Lock来保证有序性，很显然，synchronized和Lock保证每一个时刻是有一个线程执行同步代码，至关因而让线程顺序执行同步代码，天然就保证了有序性。

另外，Java内存模型具有一些先天的“有序性”，即不须要经过任何手段就可以获得保证的有序性，这个一般也称为 happens-before 原则。若是两个操做的执行次序没法从happens-before原则推导出来，那么它们就不能保证它们的有序性，虚拟机能够随意地对它们进行重排序。

下面就来具体介绍下happens-before原则（先行发生原则）：

程序次序规则：一个线程内，按照代码顺序，书写在前面的操做先行发生于书写在后面的操做
锁定规则：一个unLock操做先行发生于后面对同一个锁额lock操做
volatile变量规则：对一个变量的写操做先行发生于后面对这个变量的读操做
传递规则：若是操做A先行发生于操做B，而操做B又先行发生于操做C，则能够得出操做A先行发生于操做C
线程启动规则：Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每一个一个动做
线程中断规则：对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生
线程终结规则：线程中全部的操做都先行发生于线程的终止检测，咱们能够经过Thread.join()方法结束、Thread.isAlive()的返回值手段检测到线程已经终止执行
对象终结规则：一个对象的初始化完成先行发生于他的finalize()方法的开始

这8条原则摘自《深刻理解Java虚拟机》。

这8条规则中，前4条规则是比较重要的，后4条规则都是显而易见的。

下面咱们来解释一下前4条规则：

对于程序次序规则来讲，个人理解就是一段程序代码的执行在单个线程中看起来是有序的。注意，虽然这条规则中提到“书写在前面的操做先行发生于书写在后面的操做”，这个应该是程序看起来执行的顺序是按照代码顺序执行的，由于虚拟机可能会对程序代码进行指令重排序。虽然进行重排序，可是最终执行的结果是与程序顺序执行的结果一致的，它只会对不存在数据依赖性的指令进行重排序。所以，在单个线程中，程序执行看起来是有序执行的，这一点要注意理解。事实上，这个规则是用来保证程序在单线程中执行结果的正确性，但没法保证程序在多线程中执行的正确性。

第二条规则也比较容易理解，也就是说不管在单线程中仍是多线程中，同一个锁若是出于被锁定的状态，那么必须先对锁进行了释放操做，后面才能继续进行lock操做。

第三条规则是一条比较重要的规则，也是后文将要重点讲述的内容。直观地解释就是，若是一个线程先去写一个变量，而后一个线程去进行读取，那么写入操做确定会先行发生于读操做。

第四条规则实际上就是体现happens-before原则具有传递性。

volatile语义

一旦一个共享变量（类的成员变量、类的静态成员变量）被volatile修饰以后，那么就具有了两层语义：

保证了不一样线程对这个变量进行操做时的可见性，即一个线程修改了某个变量的值，这新值对其余线程来讲是当即可见的。
禁止进行指令重排序。

因此当把上面代码中变量flag改为下面这样：

1	private static valotile boolean flag = false;

在执行的话，你就会发现打印了“中止了”信息，由于用volatile修饰以后就变得不同了：

第一：使用volatile关键字会强制将修改的值当即写入主存；

第二：使用volatile关键字的话，当线程main进行修改时，会致使线程那么线程VolatileExample的工做内存中缓存变量flag的缓存行无效（反映到硬件层的话，就是CPU的L1或者L2缓存中对应的缓存行无效）；

第三：因为线程那么线程VolatileExample的工做内存中缓存变量flag的缓存行无效，因此线程那么线程VolatileExample再次读取变量flag的值时会去主存读取。

那么在线程main修改flag值时（固然这里包括2个操做，修改线程main工做内存中的值，而后将修改后的值写入内存），会使得线程VolatileExample的工做内存中缓存变量flag的缓存行无效，而后线程读取时，发现本身的缓存行无效，它会等待缓存行对应的主存地址被更新以后，而后去对应的主存读取最新的值。

那么线程VolatileExample读取到的就是最新的正确的值。

使用volatile关键字增长了实例变量在多个线程之间的可见性。可是volatile关键字最致命的缺点是不支持原子性。
下面将关键字synchronized和volatile进行一下比较：
1）关键字volatile是线程同步的轻量级实现，因此volatile性能确定比synchronized要好，而且volatile只能修饰于变量，而synchronized能够修饰方法，以及代码块。随着JDK新版本的发布，synchronized关键字在执行效率上获得很大提高，在开发中使用synchronized关键字的比率仍是比较大的。

2）多线程访问volatile不会发生阻塞，而synchronized会出现阻塞。

3）volatile能保证数据的可见性，但不能保证原子性；而synchronized能够保证原子性，也能够间接保证可见性，由于它将私有内存和公共内存中的数据作同步。

4）再次重申一下，关键字volatile解决的是变量在多个线程之间的可见性；而synchronized关键字解决的是多个线程之间访问资源的同步性。

volatile非原子的特性

从上面知道volatile关键字保证了操做的可见性，可是volatile能保证对变量的操做是原子性吗？
下面看一个例子：

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)  //保证前面的线程都执行完
            Thread.yield();
        System.out.println(test.inc);
    }
}

你们想一下这段程序的输出结果是多少？也许有些朋友认为是10000。可是事实上运行它会发现每次运行结果都不一致，都是一个小于10000的数字。

可能有的朋友就会有疑问，不对啊，上面是对变量inc进行自增操做，因为volatile保证了可见性，那么在每一个线程中对inc自增完以后，在其余线程中都能看到修改后的值啊，因此有10个线程分别进行了1000次操做，那么最终inc的值应该是1000*10=10000。

这里面就有一个误区了，volatile关键字能保证可见性没有错，可是上面的程序错在没能保证原子性。可见性只能保证每次读取的是最新的值，可是volatile没办法保证对变量的操做的原子性。

在前面已经提到过，自增操做是不具有原子性的，它包括读取变量的原始值、进行加1操做、写入工做内存。那么就是说自增操做的三个子操做可能会分割开执行，就有可能致使下面这种状况出现：

假如某个时刻变量inc的值为10，

线程1对变量进行自增操做，线程1先读取了变量inc的原始值，而后线程1被阻塞了；

而后线程2对变量进行自增操做，线程2也去读取变量inc的原始值，因为线程1只是对变量inc进行读取操做，而没有对变量进行修改操做，因此不会致使线程2的工做内存中缓存变量inc的缓存行无效，因此线程2会直接去主存读取inc的值，发现inc的值时10，而后进行加1操做，并把11写入工做内存，最后写入主存。

而后线程1接着进行加1操做，因为已经读取了inc的值，注意此时在线程1的工做内存中inc的值仍然为10，因此线程1对inc进行加1操做后inc的值为11，而后将11写入工做内存，最后写入主存。

那么两个线程分别进行了一次自增操做后，inc只增长了1。

解释到这里，可能有朋友会有疑问，不对啊，前面不是保证一个变量在修改volatile变量时，会让缓存行无效吗？而后其余线程去读就会读到新的值，对，这个没错。这个就是上面的happens-before规则中的volatile变量规则，可是要注意，线程1对变量进行读取操做以后，被阻塞了的话，并无对inc值进行修改。而后虽然volatile能保证线程2对变量inc的值读取是从内存中读取的，可是线程1没有进行修改，因此线程2根本就不会看到修改的值。

根源就在这里，自增操做不是原子性操做，并且volatile也没法保证对变量的任何操做都是原子性的。

把上面的代码改为如下任何一种均可以达到效果：

采用synchronized：

public class Test {
    public  int inc = 0;
    
    public synchronized 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)  //保证前面的线程都执行完
            Thread.yield();
        System.out.println(test.inc);
    }
}

采用Lock：

public class Test {
    public  int inc = 0;
    Lock lock = new ReentrantLock();
    
    public void increase() {
        lock.lock();
        try {
            inc++;
        } finally{
            lock.unlock();
        }
    }
    
    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)  //保证前面的线程都执行完
            Thread.yield();
        System.out.println(test.inc);
    }
}

采用AtomicInteger：

public class Test {
    public  AtomicInteger inc = new AtomicInteger();
     
    public void increase() {
        inc.getAndIncrement();
    }
    
    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)  //保证前面的线程都执行完
            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做类，即对基本数据类型的自增（加1操做），自减（减1操做）、以及加法操做（加一个数），减法操做（减一个数）进行了封装，保证这些操做是原子性操做。atomic是利用CAS来实现原子性操做的（Compare And Swap），CAS其实是利用处理器提供的CMPXCHG指令实现的，而处理器执行CMPXCHG指令是一个原子性操做。

volatile能保证有序性

在前面提到volatile关键字能禁止指令重排序，因此volatile能在必定程度上保证有序性。

volatile关键字禁止指令重排序有两层意思：

1）当程序执行到volatile变量的读操做或者写操做时，在其前面的操做的更改确定所有已经进行，且结果已经对后面的操做可见；在其后面的操做确定尚未进行；

2）在进行指令优化时，不能将在对volatile变量访问的语句放在其后面执行，也不能把volatile变量后面的语句放到其前面执行。

可能上面说的比较绕，举个简单的例子：

//x、y为非volatile变量
//flag为volatile变量
 
x = 2;        //语句1
y = 0;        //语句2
flag = true;  //语句3
x = 4;         //语句4
y = -1;       //语句5

因为flag变量为volatile变量，那么在进行指令重排序的过程的时候，不会将语句3放到语句一、语句2前面，也不会讲语句3放到语句四、语句5后面。可是要注意语句1和语句2的顺序、语句4和语句5的顺序是不做任何保证的。

而且volatile关键字能保证，执行到语句3时，语句1和语句2一定是执行完毕了的，且语句1和语句2的执行结果对语句三、语句四、语句5是可见的。

4.volatile的原理和实现机制

前面讲述了源于volatile关键字的一些使用，下面咱们来探讨一下volatile到底如何保证可见性和禁止指令重排序的。

下面这段话摘自《深刻理解Java虚拟机》：

“观察加入volatile关键字和没有加入volatile关键字时所生成的汇编代码发现，加入volatile关键字时，会多出一个lock前缀指令”

lock前缀指令实际上至关于一个内存屏障（也成内存栅栏），内存屏障会提供3个功能：

它确保指令重排序时不会把其后面的指令排到内存屏障以前的位置，也不会把前面的指令排到内存屏障的后面；即在执行到内存屏障这句指令时，在它前面的操做已经所有完成；
它会强制将对缓存的修改操做当即写入主存；
若是是写操做，它会致使其余CPU中对应的缓存行无效。

总结

　synchronized关键字是防止多个线程同时执行一段代码，那么就会很影响程序执行效率，而volatile关键字在某些状况下性能要优于synchronized，可是要注意volatile关键字是没法替代synchronized关键字的，由于volatile关键字没法保证操做的原子性。一般来讲，使用volatile必须具有如下2个条件：

对变量的写操做不依赖于当前值
该变量没有包含在具备其余变量的不变式中

实际上，这些条件代表，能够被写入 volatile 变量的这些有效值独立于任何程序的状态，包括变量的当前状态。
设计模式中的单例模式中的双检查锁就使用到了volatile关键字，跳转地址以下：
设计模式干货系列：（四）单例模式【学习难度：★☆☆☆☆，使用频率：★★★★☆】

参考

该文为本人学习的笔记，方便之后本身跳槽前复习。参考网上各大帖子，取其精华整合本身的理解而成。还有，关注我我的主页的公众号，里面电子书资源有《Java多线程编程核心技术》以及《深刻理解Java虚拟机》高清版，须要的小伙伴本身取。
《Java多线程编程核心技术》
《深刻理解Java虚拟机》
Java的多线程机制系列：(四)不得不提的volatile及指令重排序(happen-before)
Java并发编程：volatile关键字解析

整理的思惟导图

我的整理的volatile的思惟导图,导出的图片没法查看备注的一些信息，因此须要源文件的童鞋能够关注我我的主页上的公众号，回复volatile便可获取源文件。

一直以为本身写的不是技术，而是情怀，一篇篇文章是本身这一路走来的痕迹。靠专业技能的成功是最具可复制性的，但愿个人这条路能让你少走弯路，但愿我能帮你抹去知识的蒙尘，但愿我能帮你理清知识的脉络，但愿将来技术之巅上有你也有我。

博主最近发起了《嘟爷电子书互惠组》计划，里面包含了《精通Spring4.X企业应用开发实战》、《MyBatis从入门到精通__刘增辉》相关书籍在内的至少272本Java相关的电子书，也有博主花钱买的电子书。可谓新手必备之物，详情可前往书单末尾查看: Java后端2018书单推荐

</div>

Java多线程干货系列—（四）volatile关键字

正文