一、volatile簡(jiǎn)介
在單線程環(huán)境中，我們幾乎用不到這個(gè)關(guān)鍵詞，但是多線程環(huán)境中，這個(gè)關(guān)鍵詞隨處可見。而且也是面試的常客?？偟膩碚f，volatile有以下三個(gè)特性：
下面就來詳細(xì)的說說這三個(gè)特性。
二、保證可見性
1、什么是可見性？
在說volatile保證可見性之前，先來說說什么叫可見性。談到可見性，又不得不說JMM(java memory model)內(nèi)存模型。JMM內(nèi)存模型是邏輯上的劃分，并不是真實(shí)存在。Java線程之間的通信就由JMM控制。JMM的抽象示意圖如下：
JMM內(nèi)存模型如上圖所示，我們定義的共享變量，是存儲(chǔ)在主內(nèi)存中的，也就是計(jì)算機(jī)的內(nèi)存條中。線程A去操作共享變量的時(shí)候，并不能直接操作主內(nèi)存中的值，而是將主內(nèi)存中的值拷貝回自己的工作內(nèi)存中，在工作內(nèi)存中做修改。修改好后，再將值刷回到主內(nèi)存中。
假設(shè)現(xiàn)在new 一個(gè) student , age為 18，這個(gè)18是存儲(chǔ)在主內(nèi)存中的?，F(xiàn)在兩個(gè)線程先將18拷貝回自己的工作內(nèi)存中。這時(shí)，A線程將18改為了20，刷回到主內(nèi)存中。也就是說，現(xiàn)在主內(nèi)存中的值變?yōu)榱?0。可是，B線程并不知道現(xiàn)在主內(nèi)存中的值變了，因?yàn)锳線程所做的操作對(duì)B是不可見的。我們需要一種機(jī)制，即一旦主內(nèi)存中的值發(fā)生改變，就及時(shí)地通知所有的線程，保證他們對(duì)這個(gè)變化可見。這就是可見性。我們通常用happen - before(先行發(fā)生原則)，來闡述操作之間內(nèi)存的可見性。也就是前一個(gè)的操作結(jié)果對(duì)后一個(gè)操作可見，那么這兩個(gè)操作就存在 happen - before 規(guī)則。
2、為什么volatile能保證可見性？
先來說一說內(nèi)存屏障(memory barrier)，這是一條CPU指令，可以影響數(shù)據(jù)的可見性。當(dāng)變量用volatile修飾時(shí)，將會(huì)在寫操作的后面加一條屏障指令，在讀操作的前面加一條屏障指令。這樣的話，一旦你寫入完成，可以保證其他線程讀到最新值，也就保證了可見性。
3、驗(yàn)證volatile保證可見性。
驗(yàn)證volatile可見性和不保證原子性的代碼：
1// 驗(yàn)證可見性
2class MyData {
3 //int number = 0; // 沒加volatile關(guān)鍵字
4 volatile int number = 0;
5 int changeNumber() {
6 return this.number = 60;
7 }
8}
9
10public class VolatileTest {
11 // 驗(yàn)證可見性
12 public static void main(String[] args) {
13 MyData myData = new MyData();
14 new Thread("AAA") {
15 public void run() {
16 try {
17 Thread.sleep(3000);
18 // 睡3秒后調(diào)用changeNumber方法將number改為60
19 System.err.println(Thread.currentThread().getName()
20 + " update number to " + myData.changeNumber());
21 } catch (InterruptedException e) {
22 e.printStackTrace();
23 }
24 };
25 }.start();
26 // 主線程
27 while (myData.number == 0) {
28 }
29 // 如果主線程讀取到的一直都是最開始的0，
30 //將造成死循環(huán)，這句話將無法輸出
31 System.err.println(Thread.currentThread().getName()
32 + " get number value is " + myData.number);
33 }
34}
上面這段代碼很簡(jiǎn)單，定義了一個(gè)MyData類，初始一個(gè)number，值為0。然后在main方法中創(chuàng)建另一個(gè)線程，將其值改為60。但是，這個(gè)線程對(duì)number所作的操作對(duì)main線程是不可見的，所以main線程以為number還是0，因此，將會(huì)造成死循環(huán)。如果number加了volatile修飾，main線程就可以獲取到主內(nèi)存中的最新值，就不會(huì)死循環(huán)。這就驗(yàn)證了volatile可以保證可見性。
三、不保證原子性
1、什么叫原子性？
所謂原子性，就是說一個(gè)操作不可被分割或加塞，要么全部執(zhí)行，要么全不執(zhí)行。
2、volatile不保證原子性解析
java程序在運(yùn)行時(shí)，JVM將java文件編譯成了class文件。我們使用javap命令對(duì)class文件進(jìn)行反匯編，就可以查看到j(luò)ava編譯器生成的字節(jié)碼。最常見的 i++ 問題，其實(shí) 反匯編后是分三步進(jìn)行的。
第一步：將i的初始值裝載進(jìn)工作內(nèi)存；
第二步：在自己的工資內(nèi)存中進(jìn)行自增操作；
第三步：將自己工作內(nèi)存的值刷回到主內(nèi)存。
我們知道線程的執(zhí)行具有隨機(jī)性，假設(shè)現(xiàn)在i的初始值為0，有A和B兩個(gè)線程對(duì)其進(jìn)行++操作。首先兩個(gè)線程將0拷貝到自己工作內(nèi)存，當(dāng)線程A在自己工作內(nèi)存中進(jìn)行了自增變成了1，還沒來得及把1刷回到主內(nèi)存，這是B線程搶到CPU執(zhí)行權(quán)了。B將自己工作內(nèi)存中的0進(jìn)行自增，也變成了1。然后線程A將1刷回主內(nèi)存，主內(nèi)存此時(shí)變成了1，然后B也將1刷回主內(nèi)存，主內(nèi)存中的值還是1。本來A和B都對(duì)i進(jìn)行了一次自增，此時(shí)主內(nèi)存中的值應(yīng)該是2，而結(jié)果是1，出現(xiàn)了寫丟失的情況。這是因?yàn)閕++本應(yīng)該是一個(gè)原子操作，但是卻被加塞了其他操作。所以說volatile不保證原子性。
3、volatile不保證原子性驗(yàn)證
1 // 驗(yàn)證volatile不保證原子性
2 void addPlusPlus() {
3 this.number++;
4 }
5 // 驗(yàn)證volatile不保證原子性
6 public static void main(String[] args) {
7 MyData mydata2 = new MyData();
8 for(int i = 0; i < 20; i ++ ) { // 創(chuàng)建20個(gè)線程
9 new Thread("線程" + i) {
10 public void run() {
11 try {
12 for(int j = 0; j < 1000; j++) {
13 mydata2.addPlusPlus();// 每個(gè)線程執(zhí)行1000次number++
14 }
15 } catch (Exception e) {
16 e.printStackTrace();
17 }
18 };
19 }.start();
20 }
21 // 保證上面的線程執(zhí)行完main線程再輸出結(jié)果。 大于2，因?yàn)槟J(rèn)有main線程和gc線程
22 while(Thread.activeCount() > 2) {
23 Thread.yield();
24 }
25 System.err.println(Thread.currentThread().getName() + " obtain the number is " + mydata2.number);
26 }
同樣是上面的MyData類，有一個(gè)volatile修飾的number變量初始值為0?，F(xiàn)在有20個(gè)線程，每個(gè)線程對(duì)其執(zhí)行1000次++操作。理論上執(zhí)行完后，main線程輸出的結(jié)果是20000，但是運(yùn)行之后會(huì)發(fā)現(xiàn)，每次的運(yùn)行結(jié)果都會(huì)小于20000，這就是因?yàn)槌霈F(xiàn)了寫丟失的情況。
解決辦法：
第一種辦法不太好，因?yàn)閟ynchronized太重量級(jí)了，整個(gè)操作都加鎖了。第二種辦法更好。但是為什么AtomicInteger就可以保證原子性呢？因?yàn)樗褂昧薈AS算法。什么是CAS？后續(xù)我再專門寫一篇介紹CAS的文章。
三、禁止指令重排
1、什么叫指令重排？
上面說了，使用javap命令可以對(duì)class文件進(jìn)行反匯編，查看到程序底層到底是如何執(zhí)行的。像 i++ 這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的操作，底層就分三步執(zhí)行。在多線程情況下，計(jì)算機(jī)為了提高執(zhí)行效率，就會(huì)對(duì)這些步驟進(jìn)行重排序，這就叫指令重排。比如現(xiàn)有如下代碼：
1int x = 1;
2int y = 2;
3x = x + 3;
4y = x - 4;
這四條語句，正常的執(zhí)行順序是從上往下1234這樣執(zhí)行，x的結(jié)果應(yīng)該是4，y的結(jié)果應(yīng)該是0。但是在多線程環(huán)境中，編譯器指令重排后，執(zhí)行順序可能就變成了1243，這樣得出的x就是4，y就是-3，這結(jié)果顯然就不正確了。不過編譯器在重排的時(shí)候也會(huì)考慮數(shù)據(jù)的依賴性，比如執(zhí)行順序不可能為2413，因?yàn)榈?條語句的執(zhí)行是依賴x的。使用volatile修飾，就可以禁止指令重排。
四、你在哪些地方使用過volatile？
最經(jīng)典的就是單例模式。
1public class SingletonDemo {
2 private static SingletonDemo singletonDemo = null;
3 private SingletonDemo(){
4 System.err.println("構(gòu)造方法被執(zhí)行");
5 }
6 public static SingletonDemo getInstance(){
7 if (singletonDemo == null){
8 singletonDemo = new SingletonDemo();
9 }
10 return singletonDemo;
11 }
12}
這是我們最開始學(xué)的時(shí)候?qū)懙膯卫Ｊ?。看似很完美。其?shí)多線程環(huán)境中就會(huì)出問題。測(cè)試一下：
1public static void main(String[] args){
2 for (int i = 0; i <= 10; i++){
3 new Thread(() -> SingletonDemo.getInstance()).start();
4 }
5}
10個(gè)線程去執(zhí)行這個(gè)單例，看結(jié)果：
運(yùn)行結(jié)果
構(gòu)造方法被執(zhí)行這句話打印了兩次，說明創(chuàng)建了兩次對(duì)象。所以在多線程環(huán)境中這個(gè)單例模式是有問題的?？梢栽趃etInstance方法上加synchronized，但是，這樣就把一整個(gè)方法都鎖了，這樣不太好。下面介紹另一種方式。 1public class SingletonDemo {
2 private static SingletonDemo singletonDemo = null;
3 private SingletonDemo(){
4 System.err.println("構(gòu)造方法被執(zhí)行");
5 }
6 public static SingletonDemo getInstance(){
7 if (singletonDemo == null){ // 第一次check
8 synchronized (SingletonDemo.class){
9 if (singletonDemo == null) // 第二次check
10 singletonDemo = new SingletonDemo();
11 }
12 }
13 return singletonDemo;
14 }
15 }
用synchronized只鎖住創(chuàng)建實(shí)例那部分代碼，而不是整個(gè)方法。在加鎖前和加鎖后都進(jìn)行判斷，這就叫雙端檢索機(jī)制。經(jīng)測(cè)試，這樣確實(shí)只創(chuàng)建了一個(gè)對(duì)象。但是，這也并非絕對(duì)安全。new 一個(gè)對(duì)象也是分三步的：
步驟二和步驟三不存在數(shù)據(jù)依賴，因此編譯器優(yōu)化時(shí)允許這兩句顛倒順序。當(dāng)指令重拍后，多線程去訪問也會(huì)出問題。所以便有了如下的最終版單例模式。
1public class SingletonDemo {
2 private static volatile SingletonDemo singletonDemo = null;
3 private SingletonDemo(){
4 System.err.println("構(gòu)造方法被執(zhí)行");
5 }
6 public static SingletonDemo getInstance(){
7 if (singletonDemo == null){ // 第一次check
8 synchronized (SingletonDemo.class){
9 if (singletonDemo == null) // 第二次check
10 singletonDemo = new SingletonDemo();
11 }
12 }
13 return singletonDemo;
14 }
15}
總結(jié)：
1、volatile特性：
2、volatile的應(yīng)用：
最經(jīng)典的就是單例模式。
