浅谈Volatile的作用及原理

Volatile

我们知道虽然JVM对synchronized做了很多优化，但是它还是一个重量级的锁。而接下来要介绍的volatile则是轻量级的synchronized。如果一个变量使用volatile，则它比使用synchronized的成本更加低，因为它不会引起线程上下文的切换和调度。

Java语言规范对volatile的定义如下：

Java允许线程访问共享变量，为了确保共享变量能被准确和一致地更新，线程应该确保通过排他锁单独获得这个变量。

通俗点讲就是说一个变量如果用volatile修饰了，则Java可以确保所有线程看到这个变量的值是一致的，如果某个线程对volatile修饰的共享变量进行更新，那么其他线程可以立马看到这个更新，这就是内存可见性。

volatile虽然看起来比较简单，使用起来无非就是在一个变量前面加上volatile即可，但是要用好并不容易。

解决内存可见性问题

只需在变量添加volatile关键词修饰即可

Volatile实现内存可见性的过程

线程写Volatile变量的过程：

1. 改变线程本地内存中Volatile变量副本的值；
2. 将改变后的副本的值从本地内存刷新到主内存

线程读Volatile变量的过程：

1. 从主内存中读取Volatile变量的最新值到线程的本地内存中
2. 从本地内存中读取Volatile变量的副本

Volatile实现内存可见性原理：

写操作时，通过在写操作指令后加入一条store屏障指令，让本地内存中变量的值能够刷新到主内存中

读操作时，通过在读操作前加入一条load屏障指令，及时读取到变量在主内存的值

PS: 内存屏障（Memory Barrier）是一种CPU指令，用于控制特定条件下的重排序和内存可见性问题。Java编译器也会根据内存屏障的规则禁止重排序

volatile的底层实现是通过插入内存屏障，但是对于编译器来说，发现一个最优布置来最小化插入内存屏障的总数几乎是不可能的，所以，JMM采用了保守策略。如下：

• StoreStore屏障可以保证在volatile写之前，其前面的所有普通写操作都已经刷新到主内存中。

• StoreLoad屏障的作用是避免volatile写与后面可能有的volatile读/写操作重排序。

• LoadLoad屏障用来禁止处理器把上面的volatile读与下面的普通读重排序。

• LoadStore屏障用来禁止处理器把上面的volatile读与下面的普通写重排序。

原子性的问题

虽然Volatile 关键字可以让变量在多个线程之间可见，但是Volatile不具备原子性。

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        VolatileDemo demo = new VolatileDemo();
​
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            Thread t = new Thread(demo);
            t.start();
        }
​
        Thread.sleep(1000);
        System.out.println(demo.count);
    }
​
    static class VolatileDemo implements Runnable {
        public volatile int count;
        
        public void run() {
            addCount();
        }
​
        public void addCount() {
            for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                count++;
            }
        }
    }

以上出现原子性问题的原因是count++并不是原子性操作。

count = 5 开始，流程分析：

1. 线程1读取count的值为5
2. 线程2读取count的值为5
3. 线程2加1操作
4. 线程2最新count的值为6
5. 线程2写入值到主内存的最新值为6

这个时候，线程1的count为5，线程2的count为6

如果切换到线程1执行，那么线程1得到的结果是6，写入到主内存的值还是6

现在的情况是对count进行了两次加1操作，但是主内存实际上只是加1一次

解决方案：

1. 使用synchronized
2. 使用ReentrantLock（可重入锁）
3. 使用AtomicInteger（原子操作）

使用synchronized

public synchronized void addCount() {
    for (int i = 0; i < 10000; i++) {
        count++;
    }
}

使用ReentrantLock（可重入锁）

//可重入锁
private Lock lock = new ReentrantLock();
​
public void addCount() {
    for (int i = 0; i < 10000; i++) {
        lock.lock();
        count++;
        lock.unlock();
    }
}

使用AtomicInteger（原子操作）

public static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
public void addCount() {
    for (int i = 0; i < 10000; i++) {
        //count++;
        count.incrementAndGet();
    }
}

Volatile 适合使用场景

1. 对变量的写入操作不依赖其当前值

   不满足：number++、count=count*5等

   满足：boolean变量、直接赋值的变量等

2. 该变量没有包含在具有其他变量的不变式中

   不满足：不变式 low

总结：变量真正独立于其他变量和自己以前的值，在单独使用的时候，适合用volatile

synchronized和volatile比较

1. volatile不需要加锁，比synchronized更轻便，不会阻塞线程

2. synchronized既能保证可见性，又能保证原子性，而volatile只能保证可见性，无法保证原子性

总结

与锁相比，Volatile 变量是一种非常简单但同时又非常脆弱的同步机制，它在某些情况下将提供优于锁的性能和伸缩性。如果严格遵循 volatile 的使用条件（变量真正独立于其他变量和自己以前的值 ） 在某些情况下可以使用 volatile 代替 synchronized 来优化代码提升效率。