【并发与多线程】Volatile大总结

大佬们的总结文章：
第一篇（偏底层）
第二篇（偏理解）
第三篇（代码解释）
（PS：本文基于以上三篇文章）

一.为什么有volatile

首先java内存模型（JMM）中，每个线程有自己的工作内存，同时还有一个共享的主内存。如下图：

假如说线程1修改了data变量的值为1，然后将这个修改写入自己的本地工作内存。那么此时，线程1的工作内存里的data值为1。然而，主内存里的data值还是为0！线程2的工作内存里的data值也还是0。

这就是所谓的 java并发编程中的可见性问题：
多个线程并发读写一个共享变量的时候，有可能某个线程修改了变量的值，但是其他线程看不到！也就是对其他线程不可见！

二.volatile的作用及背后的原理

要解决可见性问题，只需要用volatile修饰data。
如下代码：

public class Solution {
  private static volatile int data = 0;
  public static void main(String[] args) {
    DataThread1 d1 = new DataThread1();
    DataThread2 d2 = new DataThread2();
    // 线程1读取和修改data变量值
    d1.run();
    // 线程2读取data变量值
    d2.run();
  }
}

这里说一下volatile的主要功能：

• 第一，一旦data变量定义的时候前面加了volatile来修饰的话，那么线程1只要修改data变量的值，就会在修改完自己本地工作内存的data变量值之后，强制将这个data变量最新的值刷回主内存，必须让主内存里的data变量值立马变成最新的值！

• 第二，如果此时别的线程的工作内存中有这个data变量的本地缓存，也就是一个变量副本的话，那么会强制让其他线程的工作内存中的data变量缓存直接失效过期，不允许再次读取和使用了！

• 第三，如果线程2在代码运行过程中再次需要读取data变量的值，此时尝试从本地工作内存中读取，就会发现这个data = 0已经过期了！此时，他就必须重新从主内存中加载data变量最新的值！那么不就可以读取到data = 1这个最新的值了！

小结：
对一个变量加了volatile关键字修饰之后，只要一个线程修改了这个变量的值，立马强制刷回主内存。
接着强制过期其他线程的本地工作内存中的缓存，最后其他线程读取变量值的时候，强制重新从主内存来加载最新的值！
这样就保证，任何一个线程修改了变量值，其他线程立马就可以看见了！这就是所谓的volatile保证了可见性的工作原理！

volatile主要作用是保证可见性以及有序性。
有序性涉及到较为复杂的指令重排、内存屏障等概念，本文没提及，但是volatile是不能保证原子性的！

• 也就是说，volatile主要解决的是一个线程修改变量值之后，其他线程立马可以读到最新的值，是解决这个问题的，也就是可见性！
• 但是如果是多个线程同时修改一个变量的值，那还是可能出现多线程并发的安全问题，导致数据值修改错乱，volatile是不负责解决这个问题的，也就是不负责解决原子性问题！
• 原子性问题，得依赖synchronized、ReentrantLock等加锁机制来解决。

JMM主要就是围绕着如何在并发过程中如何处理原子性、可见性和有序性这3个特征来建立的，通过解决这三个问题，可以解除缓存不一致的问题。而volatile跟可见性和有序性都有关。
(PS:三种特性看第三篇文章)

三.volatile与synchronized区别

• volatile只能修饰实例变量和类变量，而synchronized可以修饰方法，以及代码块。
• volatile保证数据的可见性，但是不保证原子性(多线程进行写操作，不保证线程安全);而synchronized是一种排他(互斥)的机制。
• volatile用于禁止指令重排序：可以解决单例双重检查对象初始化代码执行乱序问题。
• volatile可以看做是轻量版的synchronized，volatile不保证原子性，但是如果是对一个共享变量进行多个线程的赋值，而没有其他的操作，那么就可以用volatile来代替synchronized，因为赋值本身是有原子性的，而volatile又保证了可见性，所以就可以保证线程安全了。

四.volatile的应用

状态量标记

int a = 0;
volatile bool flag = false;

public void write() {
    a = 2;              //1
    flag = true;        //2
}

public void multiply() {
    if (flag) {         //3
        int ret = a * a;//4
    }
}

单例模式中的应用

class Singleton{
    private volatile static Singleton instance = null;
 
    private Singleton() {
 
    }
 
    public static Singleton getInstance() {
        if(instance==null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if(instance==null)
                    instance = new Singleton();
            }
        }
        return instance;
    }
}

五.总结

1. volatile修饰符适用于以下场景：某个属性被多个线程共享，其中有一个线程修改了此属性，其他线程可以立即得到修改后的值，比如boolean flag;或者作为触发器，实现轻量级同步。
2. volatile属性的读写操作都是无锁的，它不能替代synchronized，因为它没有提供原子性和互斥性。因为无锁，不需要花费时间在获取锁和释放锁上，所以说它是低成本的。
3. volatile只能作用于属性，我们用volatile修饰属性，这样compilers就不会对这个属性做指令重排序。
4. volatile提供了可见性，任何一个线程对其的修改将立马对其他线程可见，volatile属性不会被线程缓存，始终从主存中读取。
5. volatile提供了happens-before保证，对volatile变量v的写入happens-before所有其他线程后续对v的读操作。
6. volatile可以使得long和double的赋值是原子的。
7. volatile可以在单例双重检查中实现可见性和禁止指令重排序，从而保证安全性。