Java volatile 关键字详解

概述

volatile 是 Java 提供的一种轻量级的同步机制。相比于传统的 synchronize，虽然 volatile 能实现的同步性要差一些，但开销更低，因为它不会引起频繁的线程上下文切换和调度。

为了更好的理解 volatile 的作用，首先要了解一下 Java 内存模型与并发编程三要素

1. Java 内存模型

计算机执行程序时，每条指令都在 CPU 执行，执行过程中势必涉及数据的读取和写入。程序运行过程中的临时数据存放在主存（物理内存），这就存在一个问题，CPU 执行速度很快，从内存读取数据和向内存写入数据跟 CPU 执行指令的速度相比要慢的多，如果对数据的操作都要和内存交互，会降低指令执行的速度，因此在 CPU 就有了高速缓存。程序在运行过程中，会将需要的数据从主存复制一份到 CPU 的高速缓存，CPU 进行计算时就可以直接从高速缓存读取数据和写入数据，当运算结束后，再将高速缓存的数据刷新到主存

Java 虚拟机规范中定义了 Java 内存模型（Java Memory Model，JMM），用于屏蔽各种硬件和操作系统的内存访问差异，以实现让 Java 程序在各种平台下都能达到一致的并发效果。JMM 规定所有的变量都存在于主存（类似于前面说的物理内存），每个线程都有自己的工作内存（类似于前面的高速缓存）。线程对变量的所有操作都必须在工作内存进行，不能直接对主存操作。并且每个线程不能访问其他线程的工作内存，如果线程之间需要传递变量的值，必须通过主内存来作为中介进行传递

2. 并发编程三要素

在并发编程中，以下三要素是我们经常需要考虑的，要想并发程序正确地执行，必须要保证原子性、可见性以及有序性，只要有一个没有被保证，就有可能导致程序运行不正确

2.1 原子性

原子是世界上最小的单位，具有不可分割性。同理，将一个操作或多个操作视为一个整体，它们是不可再分的，并且要么全部成功，要么全部失败，不可被中断，那么这个操作就具有原子性。

int a = 10; //1
a++; //2
int b = a; //3
a = a + 1; //4

上面这四个语句中只有第 1 个语句是原子操作，将 10 赋值给线程工作内存的变量 a，而语句2（a++），实际上包含了三步操作：

1. 读取变量 a 的值
2. 对 a 进行加一的操作
3. 将计算后的值再赋值给变量 a，而这三个操作无法构成原子操作

对语句 3，4 的分析同理可得这两条语句不具备原子性

2.2 可见性

指当多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了这个变量的值，其他线程能够立即看得到修改的值。举个简单的例子：

// 线程 1 执行的代码
int i = 0;
i = 10;
//线程 2 执行的代码
j = i;

之前在 Java 内存模型已经讲过，线程 1 执行 i = 10 时，会先把 i 的初始值加载到自己的工作内存，然后赋值为 10，却没有立即写入到主存当中。此时线程 2 执行 j = i，它会先去主存读取 i 的值并加载到自己的工作内存中，注意此时内存当中 i 的值还是 0，那么就会使得 j 的值为 0，而不是 10

这就是可见性问题，线程 1 对变量 i 修改了之后，线程 2 没有立即看到线程 1 修改的值

2.3 有序性

一般来说，程序的执行顺序按照代码的先后顺序执行，但处理器为了提高程序运行效率，可能会对输入代码进行优化，它不保证程序中各个语句的执行先后顺序同代码中的顺序一致，但是它会保证程序最终执行结果和代码顺序执行的结果是一致的

有序性从不同的角度来看是不同的，单纯从单线程的角度来看，所有操作都是有序的，但到了多线程就不一样了。可以这么说：如果在本线程内部观察，所有操作都是有序的；如果在一个线程中观察另一个线程，所有的操作都是无序的。

volatile 保证变量可见性

假如有 A、B 两个线程，主内存有变量 i = 0，A 线程将主内存中的 i 拷贝一份到自己的工作内存，并修改为 i = 1，但并没有立即写回到主内存，什么时候写回主存是不确定的。此时 B 线程也将主内存中的 i 拷贝一份到自己的工作内存，而主内存中的 i 还是 0，并不是预想中的 1，这就可能导致一些问题

volatile 的一个重要作用就是实现了变量可见性。当一个共享变量被 volatile 修饰，它会保证修改的值会立即更新到主存，当其他线程需要读取时，它会去内存中读取新值。

volatile 不保证原子性

假如有 A、B 两个线程，同时对初始值为 0 的变量 i 做加 1 操作，我们希望最终的结果是 i = 2，但有可能并非如此，假设：

• 线程 A 将共享内存 i = 0 拷贝到自己的工作内存，此时 A 的本地内存中 i = 1，但共享内存的 i 还是 0
• 线程 B 将共享内存 i = 0 拷贝到自己的工作内存，此时 B 的本地内存中 i = 1，但共享内存的 i 还是 0
• 线程 A 完成加 1 操作，此时 A 的本地内存中 i = 1，但共享内存的 i 还是 0，线程 A 将 i = 1 写回到内存
• 线程 B 完成加 1 操作，此时 B 的本地内存中 i = 1，共享内存的 i 已经是 1，线程 B 将 i = 1 写回到内存
• 最终共享内存中 i = 1，并不是我们预期的 i = 2

出现上述问题的原因是 i++ 并不是一个原子性的操作，Java 内存模型只保证了基本读取和赋值是原子性操作。不同线程之间的操作交互执行，可能会出现漏洞。所以使用 volatile 必须具备以下两个条件：

• 对变量的写操作不依赖于当前值
• 该变量没有包含在具有其他变量的不变式中

上述两个条件其实就是要保证操作是原子性的。如果希望实现更大范围操作的原子性，可以通过 synchronized 和 Lock 来实现。synchronized 和 Lock 能保证任一时刻只有一个线程执行该代码块，自然就不存在原子性问题

volatile 禁止指令重排序

所谓指令重排序，是指计算机在执行程序时，为了提高性能，编译器和处理器常常会对指令进行重排。指令重排必须保证最终执行结果和代码顺序执行结果一致

public void mySort() {
	int x = 11;	// 1
	int y = 12; // 2
	x = x + 5;  // 3
	y = x * x;  // 4
}

正常的执行顺序是 1、2、3、4，如果发生指令重排，就有可能会是 2、1、3、4，或者是 1、3、2、4 等等，但不会出现 4、3、2、1 这样的情况，因为处理器在进行重排时，必须考虑到指令之间的数据依赖性

在单线程下指令重排是没有问题的，但如果是多线程就不一定了，假设主存中有 a，b，x，y 四个变量（保证了可见性），初始值都是 0，有 A、B 两个线程，它们各自顺序执行时操作如下：

• 线程 A
  • x = a
  • b = 1
• 线程 B
  • y = b
  • a = 2

无论两个线程之间的操作如何交错，最终结果都是 x = 0，y = 0（不考虑线程 A 走完再到线程 B 的情况，因为这样就和单线程没有差异了）。可如果发生了指令重排，此时它们各自的操作执行顺序可能变为：

• 线程 A
  • b = 1
  • x = a
• 线程 B
  • a = 2
  • y = b

这样造成的结果就是 x = 2，y = 1，和上面的不一致了。因此为了防止这种情况，volatile 规定禁止指令重排，从而保证数据的一致性。

volatile 底层原理

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（内存栅栏），提供三个功能：

• 确保指令重排序时不会把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
• 强制将对缓存的修改操作立即写入主存，并导致其他 CPU 对应的缓存行无效，当其他 CPU 需要读取该变量，发现自己缓存该变量的缓存行是无效的，就会从主存重新读取

volatile 应用场景

synchronized 是防止多个线程同时执行一段代码，会影响程序执行效率，volatile 在某些情况下性能要优于synchronized，但要注意 volatile 是无法替代 synchronized 的，因为 volatile 无法保证操作的原子性

下面列举几个 Java 中使用 volatile 的场景

1. 状态标志

用于标记状态发生转换，以此于完成某些操作，如初始化和停机

volatile boolean flag = false;

while(!flag) {
  doSomething();
}

public void setFlag() {
  flag = true;
}

2. 双重检查锁定

有些时候，我们获取到一个实例引用，而这个引用对应的实例有可能是未完全初始化的，典型例子就是单例模式的双重校验锁

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

3. 独立观察

定期发布观察结果供程序内部使用，例如：环境传感器能够感觉环境温度，一个后台线程每隔几秒读取一次传感器，并更新 volatile 变量，然后，其他线程可以读取这个变量，从而随时能够看到最新的温度值

4. 开销较低的读写锁策略

如果读操作远远超过写操作，可以使用 volatile 进行读操作，使用锁进行写操作，减少竞争锁的开销