Volatile关键字详解

Volatile关键字详解

volatile的定义

这个引用JSR中的定义：
The Java programming language allows threads to access shared variables (§17.1). As a rule, to ensure that shared variables are consistently and reliably updated, a thread should ensure that it has exclusive use of such variables by obtaining a lock that, conventionally, enforces mutual exclusion for those shared variables.

The Java programming language provides a second mechanism, volatile fields, that is more convenient than locking for some purposes.

A field may be declared volatile, in which case the Java Memory Model ensures that all threads see a consistent value for the variable (§17.4).

简单的翻译一下：
Java编程语言中允许线程访问共享变量。为了确保共享变量能被一致地和可靠的更新，线程必须确保它是排他性的使用此共享变量，通常都是获得对这些共享变量强制排他性的同步锁。

Java编程语言提供了另一种机制，volatile域变量，对于某些场景的使用这要更加的方便。

可以把变量声明为volatile，以让Java内存模型来保证所有线程都能看到这个变量的同一个值。

volatile的作用

保证变量的可见性

volatile关键字的作用就是保证共享变量的可见性。什么是可见性呢，就是一个线程读变量，总是能读到它在内存中的最新的值，也就是说不同的线程看到的一个变量的值是相同的。CPU都是有行缓存的，volatile能让行缓存无效，因此能读到内存中最新的值。

保证赋值操作的原子性

原子性就是不能被线程调度打断的操作，是线程安全的操作，对于原子性操作，即使在多线程环境下，也不用担心线程安全问题或者数据不一致的问题。有些变量的赋值本身就是原子性的，比如对boolean，对int的赋值，但是像对于long或者double则不一定，如果是32位的处理器，对于64位的变量的操作可能会被分解成为二个步骤：高32位和低32位，由此可能会发生线程切换，从而导致线程不安全。如果变量声明为volatile，那么虚拟机会保证赋值是原子的，是不可被打断的。

禁止指令重排

正常情况下，虚拟机会对指令进行重排，当然是在不影响程序结果的正确性的前提下。volatile能够在一定程度上禁止虚拟机进行指令重排。还有就是对于volatile变量的写操作，保证是在读操作之前完成，假设线程A来读变量，刚好线程B正在写变量，那么虚拟机会保证写在读之前完成。 比如：

private volatile boolean flag;

public void setFlag(boolean flag) {
this.flag = flag;
}

public void getFlag() {
    return flag;
}

假设线程A来调用setFlag(true)，线程B同时来调用getFlag，对于一般的变量，是无法保证B能读到A设置的值的，因为它们执行的顺序是未知的。但是像上面，加上volatile修饰以后，虚拟机会保证，线程A的写操作在线程B的读操作之前完成，换句话，B能读到最新的值。当然了，用锁机制也能达到同样的效果，比如在方法前面都加上synchronized关键字，但是性能会远不如使用volatile。

volatile的典型使用场景

多线程情况下的标志位

基于它的作用，不难找到使用它的理想场景：
● 读操作，多于写操作
● 写操作，不依赖于变量的当前值，也就是说要是纯赋值操作
● 只需要读取的值，不需要等待某一特定的值

比如，有一个检查新版本的按扭，点击时会发起去检查新版本，因为检查新版本涉及网络请求，可能会比较耗时，所以需要放在单独的线程中去做。为了避免多次同时触发检查请求，做一个限制：上一个请求没有完成时，再次点击无效。这时就可以用volatile来做个标志位，伪代码如下：

private volatile boolean checkUpdateFinished = true;

public void onCheckUpdate(View view) {
if (!checkUpdateFinished) {
    return;
}
checkUpdate();
}

private void checkUpdate() {
    checkUpdateFinished = false;
    new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            doCheckUpdate();
            checkUpdateFinished = true;
        }
    }).start();

}

CAS无锁同步的变量声明

CAS（Compare And Swap）是一种无锁同步的算法，它涉及变量的3个值，当前值，旧的期望值以及新的期望值，它的原理是当且仅当当前值与旧的期望值一致时，才把新值赋给变量，否则什么都不做：

private volatile int a;

do {
    old = 3;
    expected = 5;
} while (compareAndSwap(a, 3, 5);

boolean compareAndSwap(int a, int old, int expected) {
    if (a == old) {
        a = expected;
        return true;
    }
    return false;
}

当然，具体的compare and swap不是这么实现的，实际是要直接使用处理的指令CMPXCHG(Compare and Exchange)来做具体的CAS。 为了保证可见性，CAS中的变量必须都用volatile来修饰。

volatile的内存原理

知道了volatile有什么用，怎么用以后，可以了解的更深一点，以加深理解。但要搞懂，就必须先要搞懂它的背景以及背景的背景：

并发的基本概念

原子性

一个或者多个操作（赋值也好，运算也好）不能被线程调度打断，要么一次性执行完，要么就不执行。

可见性

现代处理器是多核心的，或者多CPU的，但是主存（通常意义上的操作系统内存，或者物理内存）却是在CPU之间共享的。多核心处理的优势在于，从机器级别支持多线程并发，而且为了弥补主存与CPU核心之间的速度差异，便有了CPU核心缓存，因此，每个CPU核心（或者说每个线程）是有独立的内存的。这样就带来了可见性的问题，同一个变量c，A线程操作的是c在A线程的缓存中的值，B操作的是c在B的缓存中值，也就是说最新的变量的值对于其他线程是不可见的，这就有了可见性的问题。

有序性

对于单线程来说，程序的执行顺序就是按照代码的书写顺序，从上到下，从左到右(分号分隔写在同一行时)。但是多线程情况就不一定了，线程调度器随时可能打断某一程，执行其他线程。这就导致了，程序并不是按照预期的顺序执行的，导致结果跟预期不一致。 注意：这里的顺序，并不是严格的指令执行的顺序，而且从结果正确性的角度来看的，比如：

int a = 10;
int b = a + 1;

这段代码的有序性的意思是：

1. 当执行到第二条语句，只要a的值是10就可以了，至于a = 10它究竟是否是在下面语句前执行，并不关心。
2. 但是，除了a = 10语句外，没有其他的方式能让a变成10，所以，肯定是执行了语句了才能把a变成10。说起来比较绕，这个例子也过于简单。
3. 可以这么简单的理解为：单线程情况下，程序是按书写的顺序来执行的，更准确的说法是程序员预期的顺序来执行的。但多线程会打破这种有序性。
   注意：这里我们不考虑ABA问题。

对内存模型的理解

什么是内存模型呢？就是程序运行起来时，内存里面的样子。

1. 程序包括变量，对象，数据，指令等，程序动起来后又包括变量如何赋值，数据如何读取，指令按什么顺序执行等。
2. 其实，程序运行时，内存是什么样子，通常取决于操作系统，也就是说是由操作系统决定的。
3. Java是跨平台的语言，其靠着“Compile once, run anywhere"的大旗，拮杆而起，打下一片天下，如今稳坐头把交椅。那么，想要跨平台，它就要屏蔽各个操作系统平台和硬件平台的差异，因此它有虚拟机，
4. 虚拟机实质是一对操作系统的一个抽象，把差异进行屏蔽，从而对语言本身来说，所有操作系统就都是一样的了。

内存模型，也就是虚拟机对运行时的一些约定，或者叫做强制规定，比如变量的操作，数据的读取，指令执行顺序等。都做了哪些规定呢？我们分别来说：

线程模型

因为Java天生支持多线程，所以，虚拟机也必须要有线程模型，否则就无法屏蔽操作系统的差异。虚拟机规定，所有的变量都存储在主存中，也就是通常所指的内存，每个线程可以有自己的独立的工作内存，可以理解为每个CPU核心的缓存，线程对变量的操作都只能在自己的工作内存中，不能直接对主存操作，也不能访问其他线程的工作内存。

原子性操作

虚拟机保证对基本的基本数据类型的赋值是原子的，比如int，boolean和float。但是像long和double不一定，这取决于CPU的字长，32位下，long和double的赋值不是原子的，因为需要二个指令；而64位CPU则一个指令搞定。
如何保证原子性呢？方式一是上面提过的用volatile，另外就是用同步锁机制。

可见性

前面说到每个CPU可以有自己的工作内存，因此，当一个线程对某一变量操作后，其他线程是没有办法直接拿到最新变化的。
如何保证可见性呢？方法一就是把变量用volatile修饰，另外就是用同步锁机制。

指令重排与happens-before原则

指令重排与happens-before原因，是不同的，也是不冲突的。正常情况下，也就是说单线程情况下，指令的执行顺序是按书写顺序从上到下，但不是严格的，虚拟机会在不影响程序结果正确性的前提下对指令进行重排，比如：

int a = 1;
int b = 2;
int c = 3;

这三个指令，哪个先执行，是不会影响程序结果的，这时指令可能重排；而再如：

int a = 1;
int b = a + 1;
int c = a + b;

这种情况下，是无法重排，不可能把第3句放到前面，那样会得不到正确的结果。

而happens-before是指在多线程情况下，虚拟机来保证某些操作的先后性，或者说前面的操作结果，对后面是可见的。比如上面的第二个例子，在多线程情况下，c = a + b是有可能在a, b赋值前执行的，这也恰 恰是我们需要小心解决的由多线程机制带来的问题。
虚拟机的默认支持的happens-before(先行发生)原则：

1. 程序次序规则：一个线程内，按照代码顺序，书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作
2. 锁定规则：一个unLock操作先行发生于后面对同一个锁额lock操作
3. volatile变量规则：对一个变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作
4. 传递规则：如果操作A先行发生于操作B，而操作B又先行发生于操作C，则可以得出操作A先行发生于操作C
5. 线程启动规则：Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每个一个动作
6. 线程中断规则：对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生
7. 线程终结规则：线程中所有的操作都先行发生于线程的终止检测，我们可以通过Thread.join()方法结束、Thread.isAlive()的返回值手段检测到线程已经终止执行
8. 对象终结规则：一个对象的初始化完成先行发生于他的finalize()方法的开始
9. 锁定规则：一个unLock操作先行发生于后面对同一个锁额lock操作

很多规则显而易见的，或者想一下还是很容易想通的，重点解析一下第2, 3, 4条：

这里的意思是，同一个锁(lock)，如果处于锁定状态，那么只能先释放锁，然后才能被再次锁定。这么一说就明白了，这是显而易见的，要不然锁不就失去它本身的作用了么。

注意：这里有必要进一步说明一下，对于可重入锁，这里应该指的就是其他线程再次获得锁之前，锁必须被释放。因为对于可重入锁，锁的持有线程，是可以在不释放的前提下，继续获得锁的。

volatile变量规则

对一个变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作
这里其实有二层，一个是前面提过的，读volatile总是能读到最新的值，即使是写线程和读线程同时进行。因为，写操作会被更新到主存，读线程的工作内存会被置为无效，需要重新到主存去读，而读主存的地址，是要等待该地址更新后才能成功读取。
另外，一个就是对于volatile上下文的变量的读写的影响，也就是说它为什么能禁止指令重排：volatile的准确可见性作用是，当一个线程写一个volatile变量时，写完成后会刷新工作内存到主存，这会把目前这个线程所做过修改的所有变量都刷新到主存。举个例子来说明：

int a;
int b;
volatile boolean flag;

void write() {
    a = 3;
    b = 4;
    flag = true;
}

void read() {
    print(a);
    print(b);
    print(flag);
}

如果线程A调用write()，线程B调用read()，那么B能读到a, b和flag的最新值（A所写的值）。
由此，可以引申出一个volatile的高级应用，可以当作同步锁：

private Object object = null;
private volatile hasNewObject = false;

public void put(Object newObject) {
while (hasNewObject) {
    //wait - do not overwrite existing new object
}
object = newObject;
hasNewObject = true; //volatile write
}

public Object take() {
    while (!hasNewObject) { //volatile read
        //wait - don't take old object (or null)
    }
    Object obj = object;
    hasNewObject = false; //volatile write
    return obj;
}

因为写hasNewObject时会把object也刷新了，所以取对象的线程，可以在只要hasNewObject为true时就可以读到正确的值。

传递规则

如果操作A先行发生于操作B，而操作B又先行发生于操作C，则可以得出操作A先行发生
这个就像某些运行符的传递性一样，具体传递性，从而使整个happens-before规则产生实际作用。

volatile的实现机制

计算机科学里面，为了解决复杂性，都会分层。正如一个名人所说：“计算机的任何问题都可以通过增加一个虚拟层来解决”(“All problems in computer science can be solved by another level of indirection”)。volatile虚拟机层引入的，解决语言层面的问题，那么它的实现，必然是靠下一层的支持，也就是需要汇编或者说处理器指令的支持来实现，volatile是靠内存屏障和MESI（缓存一致性协议）来达成的它的作用的。

内存屏障(Memory Barriers)

内存屏障(Memory Barriers)是处理器提供的一组内存操作指令，它的作用是限制内存操作的顺序，也就是说内存屏障像一个栅栏一样，它前面的指令要在它后面的指令之前完成；还能强制把缓存写入到主存；再有的就是触发缓存一致性，就是当有写变量时，会把其他CPU核心的缓存变为无效。

深入剖析volatile关键字

在前面讲述了很多东西，其实都是为讲述volatile关键字作铺垫，那么接下来我们就进入主题。
volatile关键字的两层语义

一旦一个共享变量（类的成员变量、类的静态成员变量）被volatile修饰之后，那么就具备了两层语义：

• 保证了不同线程对这个变量进行操作时的可见性，即一个线程修改了某个变量的值，这新值对其他线程来说是立即可见的。
• 禁止进行指令重排序。

先看一段代码，假如线程1先执行，线程2后执行：

//线程1
boolean stop = false;
while(!stop){
    doSomething();
}
 
//线程2
stop = true;

这段代码是很典型的一段代码，很多人在中断线程时可能都会采用这种标记办法。但是事实上，这段代码会完全运行正确么？即一定会将线程中断么？不一定，也许在大多数时候，这个代码能够把线程中断，但是也有可能会导致无法中断线程（虽然这个可能性很小，但是只要一旦发生这种情况就会造成死循环了）。

下面解释一下这段代码为何有可能导致无法中断线程。

• 在前面已经解释过，每个线程在运行过程中都有自己的工作内存，那么线程1在运行的时候，会将stop变量的值拷贝一份放在自己的工作内存当中。
• 那么当线程2更改了stop变量的值之后，但是还没来得及写入主存当中，线程2转去做其他事情了，那么线程1由于不知道线程2对stop变量的更改，因此还会一直循环下去。

但是用volatile修饰之后就变得不一样了：

1. 使用volatile关键字会强制将修改的值立即写入主存；
2. 使用volatile关键字的话，当线程2进行修改时，会导致线程1的工作内存中缓存变量stop的缓存行无效（反映到硬件层的话，就是CPU的L1或者L2缓存中对应的缓存行无效）；
3. 由于线程1的工作内存中缓存变量stop的缓存行无效，所以线程1再次读取变量stop的值时会去主存读取。

那么在线程2修改stop值时（当然这里包括2个操作，修改线程2工作内存中的值，然后将修改后的值写入内存），会使得线程1的工作内存中缓存变量stop的缓存行无效，然后线程1读取时，发现自己的缓存行无效，它会等待缓存行对应的主存地址被更新之后，然后去对应的主存读取最新的值。
那么线程1读取到的就是最新的正确的值。

volatile保证原子性吗？

从上面知道volatile关键字保证了操作的可见性，但是volatile能保证对变量的操作是原子性吗？

下面看一个例子：

public class Test {
    public volatile int inc = 0;
     
    public void increase() {
        inc++;
    }
     
    public static void main(String[] args) {
        final Test test = new Test();
        for(int i=0;i<10;i++){
            new Thread(){
                public void run() {
                    for(int j=0;j<1000;j++)
                        test.increase();
                };
            }.start();
        }
         
        while(Thread.activeCount()>1)  //保证前面的线程都执行完
            Thread.yield();
        System.out.println(test.inc);
    }
}

大家想一下这段程序的输出结果是多少？也许有些朋友认为是10000。但是事实上运行它会发现每次运行结果都不一致，都是一个小于10000的数字。
可能有的朋友就会有疑问，不对啊，上面是对变量inc进行自增操作，由于volatile保证了可见性，那么在每个线程中对inc自增完之后，在其他线程中都能看到修改后的值啊，所以有10个线程分别进行了1000次操作，那么最终inc的值应该是1000*10=10000。

这里面就有一个误区了，volatile关键字能保证可见性没有错，但是上面的程序错在没能保证原子性。可见性只能保证每次读取的是最新的值，但是volatile没办法保证对变量的操作的原子性。

在前面已经提到过，自增操作是不具备原子性的，它包括读取变量的原始值、进行加1操作、写入工作内存。那么就是说自增操作的三个子操作可能会分割开执行，就有可能导致下面这种情况出现：
假如某个时刻变量inc的值为10，步骤如下

1. 线程1对变量进行自增操作，线程1先读取了变量inc的原始值，然后线程1被阻塞了；
2. 然后线程2对变量进行自增操作，线程2也去读取变量inc的原始值，由于线程1只是对变量inc进行读取操作，而没有对变量进行修改操作，所以不会导致线程2的工作内存中缓存变量inc的缓存行无效，所以线程2会直接去主存读取inc的值，发现inc的值时10，然后进行加1操作，并把11写入工作内存，最后写入主存。
3. 然后线程1接着进行加1操作，由于已经读取了inc的值，注意此时在线程1的工作内存中inc的值仍然为10，所以线程1对inc进行加1操作后inc的值为11，然后将11写入工作内存，最后写入主存。
4. 那么两个线程分别进行了一次自增操作后，inc只增加了1。

解释到这里，可能有朋友会有疑问，不对啊，前面不是保证一个变量在修改volatile变量时，会让缓存行无效吗？然后其他线程去读就会读到新的值，对，这个没错。这个就是上面的happens-before规则中的volatile变量规则，但是要注意，线程1对变量进行读取操作之后，被阻塞了的话，并没有对inc值进行修改。然后虽然volatile能保证线程2对变量inc的值读取是从内存中读取的，但是线程1没有进行修改，所以线程2根本就不会看到修改的值。

根源就在这里，自增操作不是原子性操作，而且volatile也无法保证对变量的任何操作都是原子性的。

把上面的代码改成以下任何一种都可以达到效果：
采用synchronized

public class Test {
    public  int inc = 0;
    
    public synchronized void increase() {
        inc++;
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        final Test test = new Test();
        for(int i=0;i<10;i++){
            new Thread(){
                public void run() {
                    for(int j=0;j<1000;j++)
                        test.increase();
                };
            }.start();
        }
        
        while(Thread.activeCount()>1)  //保证前面的线程都执行完
            Thread.yield();
        System.out.println(test.inc);
    }
}

采用Lock

public class Test {
    public  int inc = 0;
    Lock lock = new ReentrantLock();
    
    public  void increase() {
        lock.lock();
        try {
            inc++;
        } finally{
            lock.unlock();
        }
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        final Test test = new Test();
        for(int i=0;i<10;i++){
            new Thread(){
                public void run() {
                    for(int j=0;j<1000;j++)
                        test.increase();
                };
            }.start();
        }
        
        while(Thread.activeCount()>1)  //保证前面的线程都执行完
            Thread.yield();
        System.out.println(test.inc);
    }
}

采用AtomicInteger

public class Test {
    public  AtomicInteger inc = new AtomicInteger();
     
    public  void increase() {
        inc.getAndIncrement();
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        final Test test = new Test();
        for(int i=0;i<10;i++){
            new Thread(){
                public void run() {
                    for(int j=0;j<1000;j++)
                        test.increase();
                };
            }.start();
        }
        
        while(Thread.activeCount()>1)  //保证前面的线程都执行完
            Thread.yield();
        System.out.println(test.inc);
    }
}

在java 1.5的java.util.concurrent.atomic包下提供了一些原子操作类，即对基本数据类型的 自增（加1操作），自减（减1操作）、以及加法操作（加一个数），减法操作（减一个数）进行了封装，保证这些操作是原子性操作。atomic是利用CAS来实现原子性操作的（Compare And Swap），CAS实际上是利用处理器提供的CMPXCHG指令实现的，而处理器执行CMPXCHG指令是一个原子性操作。

volatile能保证有序性吗？

在前面提到volatile关键字能禁止指令重排序，所以volatile能在一定程度上保证有序性。

volatile关键字禁止指令重排序有两层意思：

• 当程序执行到volatile变量的读操作或者写操作时，在其前面的操作的更改肯定全部已经进行，且结果已经对后面的操作可见；在其后面的操作肯定还没有进行；
• 在进行指令优化时，不能将在对volatile变量访问的语句放在其后面执行，也不能把volatile变量后面的语句放到其前面执行。
  可能上面说的比较绕，举个简单的例子：

//x、y为非volatile变量
//flag为volatile变量
 
x = 2;        //语句1
y = 0;        //语句2
flag = true;  //语句3
x = 4;         //语句4
y = -1;       //语句5

由于flag变量为volatile变量，那么在进行指令重排序的过程的时候，不会将语句3放到语句1、语句2前面，也不会讲语句3放到语句4、语句5后面。但是要注意语句1和语句2的顺序、语句4和语句5的顺序是不作任何保证的。
并且volatile关键字能保证，执行到语句3时，语句1和语句2必定是执行完毕了的，且语句1和语句2的执行结果对语句3、语句4、语句5是可见的。

那么我们回到前面举的一个例子：

/线程1:
context = loadContext();   //语句1
inited = true;             //语句2
 
//线程2:
while(!inited ){
  sleep()
}
doSomethingwithconfig(context);

前面举这个例子的时候，提到有可能语句2会在语句1之前执行，那么久可能导致context还没被初始化，而线程2中就使用未初始化的context去进行操作，导致程序出错。
这里如果用volatile关键字对inited变量进行修饰，就不会出现这种问题了，因为当执行到语句2时，必定能保证context已经初始化完毕。

volatile的原理和实现机制

前面讲述了源于volatile关键字的一些使用，下面我们来探讨一下volatile到底如何保证可见性和禁止指令重排序的。
下面这段话摘自《深入理解Java虚拟机》：
“观察加入volatile关键字和没有加入volatile关键字时所生成的汇编代码发现，加入volatile关键字时，会多出一个lock前缀指令”

lock前缀指令实际上相当于一个内存屏障（也成内存栅栏），内存屏障会提供3个功能：

1. 它确保指令重排序时不会把其后面的指令排到内存屏障之前的位置，也不会把前面的指令排到内存屏障的后面；即在执行到内存屏障这句指令时，在它前面的操作已经全部完成；
2. 它会强制将对缓存的修改操作立即写入主存；
3. 如果是写操作，它会导致其他CPU中对应的缓存行无效。

总结

volatile是一个比较复杂的修饰符，想要使用它，就要完全理解它的作用，它能用来做什么，以及不能干什么。如果，不是很确定，要么弄懂，要么就不要使用。事实上，大多数情况下，标志变量，还是非常适合volatile的。
java.util.concurrent.*里面的高级线程安全数据结构像ConcurrentHashMap以及java.util.concurrent.atomic.*等的实现都用到了volatile。

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