浅谈volatile关键字

Java的volatile关键字在JDK源码中经常出现，但是对它的认识只是停留在共享变量上，今天来谈谈volatile关键字。

volatile，从字面上说是易变的、不稳定的，事实上，也确实如此，这个关键字的作用就是告诉编译器，只要是被此关键字修饰的变量都是易变的、不稳定的。那为什么是易变的呢？因为volatile所修饰的变量是直接存在于主内存中的，线程对变量的操作也是直接反映在主内存中，所以说其是易变的。

什么是主内存？为什么是在主内存中？先看看java的内存模型（JMM）中内存与线程的关系。

图片来自《深入理解Java虚拟机》

JMM中的内存分为主内存和工作内存，其中主内存是所有线程共享的，而工作内存是每个线程独立分配的，各个线程的工作内存之间相互独立、互不可见。在线程启动的时候，虚拟机为每个内存分配了一块工作内存，不仅包含了线程内部定义的局部变量，也包含了线程所需要的共享变量的副本，当然这是为了提高执行效率，读副本的比直接读主内存更快。

那么对于volatile修饰的变量（共享变量）来说，在工作内存发生了变化后，必须要马上写到主内存中，而线程读取到是volatile修饰的变量时，必须去主内存中去获取最新的值，而不是读工作内存中主内存的副本，这就有效的保证了线程之间变量的可见性。

volatile特性一：内存可见性，即线程A对volatile变量的修改，其他线程获取的volatile变量都是最新的。

举个栗子：

volatile boolean flag;
...
while(!flag){
doSomeThing();
}

检查标记判断退出循环

volatile的例子很难重现，因为只有在对变量读取频率很高的情况下，虚拟机才不会及时写回到主内存，而当频率没有达到虚拟机认为的高频率时，普通变量和volatile是同样的处理逻辑。

volatile特性二：可以禁止指令重排序

至于重排序是啥？我们通过个简单的例子了解下。

public class SimpleHappenBefore {
    /** 这是一个验证结果的变量 */
    private static int a=0;
    /** 这是一个标志位 */
    private static boolean flag=false;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //由于多线程情况下未必会试出重排序的结论,所以多试一些次
        for(int i=0;i<1000;i++){
            ThreadA threadA=new ThreadA();
            ThreadB threadB=new ThreadB();
            threadA.start();
            threadB.start();

            //这里等待线程结束后,重置共享变量,以使验证结果的工作变得简单些.
            threadA.join();
            threadB.join();
            a=0;
            flag=false;
        }
    }

    static class ThreadA extends Thread{
        public void run(){
            a=1;
            flag=true;
        }
    }

    static class ThreadB extends Thread{
        public void run(){
            if(flag){
                a=a*1;
            }
            if(a==0){
                System.out.println("ha,a==0");
            }
        }
    }
}

这里有两个共享变量a和flag，初始值分别为0和false。在ThreadA中先给a=1，然后flag=true。 如果按照有序的话，那么在ThreadB中如果if(flag)成功的话，则应该a=1，而a=a*1之后a仍然为1，下方的if(a==0)应该永远不会为真，永远不会打印。
但实际情况是，在试验100次的情况下会出现0次或几次的打印结果，而试验1000次结果更明显，有十几次打印。

以上这种现象就是由于指令重排序造成的。
那么什么是指令重排序？–为了尽可能减少内存操作速度远慢于CPU运行速度所带来的CPU空置的影响，虚拟机会按照自己的一些规则将程序编写顺序打乱。

如果变量没有volatile修饰，程序执行的顺序可能会进行重排序。

文章参考：
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 volatile关键字解惑