三、volatile

特征

被volatile修饰的变量，具有两个特征

1. 保证可见性
2. 不保证原子性
3. 禁止指令重排序

关于内存可见性、原子性、有序性，先来了解一下内存模型吧~

java内存模型（JMM）

• JMM定义了线程和主内存之间的抽相关
  • 每个线程都会有一个私有的本地内存，存储了共享变量的副本
  • 共享变量存储再主内存中
  • image

特性

• 原子性
  • 一个操作要么全部执行并且执行的过程不会被打断，要么就不执行（有点像事务）
  • 下面举个例子

i = 0;  //是原子操作         
j = i ; //不是！ 包含两个操作 1.读取i 2.赋值给j
i++;    //不是！三个操作 1.读取i 2.+1 3.赋值给i 

volatile是无法保证复合操作的原子性。想在多线程环境下保证原子性，可以通过锁、synchronized来确保

• 可见性
  • 多线程访问一个变量时，一个线程修改变量的值，其他线程能立即看到。
  • 但是，多线程环境下，一个线程修改变量对其他线程是不可见的！

volatile可以保证可见性。当一个变量被volatile修饰之后，该变量被修改后立即更新到内存中，读取的时候会直接从内存中读取。

• 有序性
  • 执行的顺序按照代码的先后顺序执行
  • 在java内存模型中，为了效率，是允许处理器对指令进行重排序的

volatile禁止指令重排序，来保证一定的有序性

指令重排序：是JVM为了优化指令，提高程序运行效率，在不影响单线程程序执行结果的前提下，尽可能地提高并行度。注意是单线程，多线程情况下会有问题啊

原理

在jvm底层 是采用‘内存屏障’来实现的

• 内存屏障 (Memory Barrier)

  • 又叫内存栅栏，是一个cpu指令
  • 插入一条MB，会告诉编译器和cpu，什么指令都不能和这条MB指令重排序
  • MB会强制刷出各种CPU cache,如一个Write-Barrier将刷出所有再Barrier之前写入cache的数据，因此cpu上的线程都能读取到这些数据的最新版本

• ****如果一个变量是volatile修饰的，JMM会再写入这个字段之后插入Write-Barrier指令，在读这个字段之前插入Read-Barrier指令****，意味着：

  • 一个线程写入变量A后，任何线程都可以拿到最新值

• happens-before

  • 两个操作间具有h-b关系，并不以为着前一个操作必须要在后一个操作之前执行。
  • 仅仅要求前一个操作的执行结果，对后一个操作可见。且前一个操作按顺序排在后一个操作之前。

应用场景

• 状态量标记

int a = 0;
//修改后立刻对线程可见 比sync lock有一定的效率提升
volatile bool flag = false;

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

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

• 单例模式的实现 双重检查锁定(DCL)

懒汉模式
class Singleton{
//为了避免初始化操作的指令重排序 
    private volatile static Singleton instance = null;
 
    private Singleton() {
 
    }
 
    public static Singleton getInstance() {
        if(instance==null) { //B
            synchronized (Singleton.class) {
                if(instance==null)
//在Singleton构造函数体执行之前，变量instance可能成为非null！
                    instance = new Singleton(); //A
            }
        }
        return instance;
    }
}
1.线程1进入到//A处，但在构造函数执行之前。使实例成为非null
2.线程2进入//B处，实例不为null，将instance引用返回。返回了一个构造完整但部分初始化的singleton对象

• 独立观察 获取最近一次登录的用户名

 public volatile String lastUser; //发布的信息
 
    public boolean authenticate(String user, String password) {
        boolean valid = passwordIsValid(user, password);
        if (valid) {
            User u = new User();
            activeUsers.add(u);
            lastUser = user;
        }
        return valid;
    }

• 开销较低的 ‘读-写锁’策略

private volatile int value;
 
    //读操作，没有synchronized，提高性能
    public int getValue() { 
        return value; 
    } 
 
    //写操作，必须synchronized。因为x++不是原子操作
    public synchronized int increment() {
        return value++;
    }