java关键字volatile用法详解

volatile关键字想必大家都不陌生，在java 5之前有着挺大的争议，在java 5之后才逐渐被大家接受，同时作为java的关键字之一，其作用自然是不可小觑的，要知道它是java.util.concurrent包的核心，没有volatile就没有这么多的并发类给我们使用。

一、定义：表明两个或者多个变量必须同步地发生变化。（源自百度百科）

二、作用：volatile关键字的作用是保证变量在多线程之间的可见性，同时禁止进行指令重排序，要想真正了解volatile关键字的实现原理，有必要对java的内存模型和cpu的缓存进行一定的了解，所以在文章的一开始，首先介绍一些关于这两方面的知识。

1.java的内存模型和cpu的缓存

CPU缓存的出现主要是为了解决CPU运算速度与内存读写速度不匹配的矛盾，因为CPU运算速度要比内存读写速度快得多，所以导致CPU可能会花费很长时间等待数据到来或把数据写入内存，因此cpu通常会将所需的数据存到缓存中，（缓存分为一级缓存，二级缓存，三级缓存，每一级缓存中所存储的数据全部都是下一级缓存中的一部分，这三种缓存的技术难度和制造成本是相对递减的，所以其容量也相对递增。）读取数据时就可以直接从缓存中读取，不必要每次都要去内存中读取，而缓存中读取数据的速度要远远高于内存，在单核中，这些不存在太大的问题，但是如果到了多核中，就会产生缓存不一致的问题，什么叫缓存不一致呢？

i = i + 1;

当我们执行上面代码时,会从内存中读取i的值，将其存到缓存中，最后执行完毕后再将缓存中的值刷新到内存中，整个流程如果放在单线程中执行，那不会有什么问题，但是若是放在多线程中来执行，那就不一样呢，假设有两个线程来执行上面代码，i的初始值都是0，线程1和线程2分别从内存中读取i的值0，将其存进各自的缓存中，等到线程1执行代码后，缓存中i的值变成1，然后再将缓存中i=1刷新到内存中，此时轮到线程2执行上述代码，和线程1一样，先从缓存中读取i的值，然后进行操作，最后更新到内存中去，可是此时i的值已经是1了，经过线程2后，i的值却根本没有什么变化，依旧是1，这就是一个Bug，那么，又该如何解决这个Bug呢？通常来说有两种解决方法：

1.1 通过在总线加LOCK#锁的方式

1.2 通过缓存一致性协议

在早期的CPU当中，是通过在总线上加LOCK#锁的形式来解决缓存不一致的问题。因为CPU和其他部件进行通信都是通过总线来进行的，如果对总线加LOCK#锁的话，也就是说阻塞了其他CPU对其他部件访问（如内存），从而使得只能有一个CPU能使用这个变量的内存。比如上面例子中 如果一个线程在执行 i = i +1，如果在执行这段代码的过程中，在总线上发出了LCOK#锁的信号，那么只有等待这段代码完全执行完毕之后，其他CPU才能从变量i所在的内存读取变量，然后进行相应的操作。这样就解决了缓存不一致的问题。

但是上面的方式会有一个问题，由于在锁住总线期间，其他CPU无法访问内存，导致效率低下。

所以就出现了缓存一致性协议。最出名的就是Intel 的MESI协议，MESI协议保证了每个缓存中使用的共享变量的副本是一致的。它核心的思想是：当CPU写数据时，如果发现操作的变量是共享变量，即在其他CPU中也存在该变量的副本，会发出信号通知其他CPU将该变量的缓存行置为无效状态，因此当其他CPU需要读取这个变量时，发现自己缓存中缓存该变量的缓存行是无效的，那么它就会从内存重新读取。

2.在谈及volatile关键字的作用时，提到了两个概念，一个是可见性，一个是指令重排序，有必要对这两个概念进行单独的说明。

2.1 可见性：是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。

//线程1执行的代码
int i = 0;
i = 10;

//线程2执行的代码
j = i;

假若执行线程1的是CPU1，执行线程2的是CPU2。当线程1执行 i =10这句时，会先把i的初始值加载到CPU1的高速缓存中，然后赋值为10，那么在CPU1的高速缓存当中i的值变为10了，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CPU2的缓存当中，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。

对于可见性，Java提供了volatile关键字来保证可见性。当一个共享变量被volatile修饰时，它会保证修改的值会立即被更新到主存，当有其他线程需要读取时，它会去内存中读取新值。而普通的共享变量不能保证可见性，因为普通共享变量被修改之后，什么时候被写入主存是不确定的，当其他线程去读取时，此时内存中可能还是原来的旧值，因此无法保证可见性。另外，通过synchronized和Lock也能够保证可见性，synchronized和Lock能保证同一时刻只有一个线程获取锁然后执行同步代码，并且在释放锁之前会将对变量的修改刷新到主存当中。因此可以保证可见性。

2.2 指令重排序：是指处理器为了提高程序运行效率，可能会对代码进行优化，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。volatile关键字能禁止指令重排序，也就是说volatile能在一定程度上保证有序性。那么，有序性又是什么含义呢？

2.2.1 有序性：即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。

int i = 0;
boolean flag = false;
i = 1;                //语句1
flag = true;          //语句2

上面代码定义了一个int型变量，定义了一个boolean类型变量，然后分别对两个变量进行赋值操作。从代码顺序上看，语句1是在语句2前面的，那么JVM在真正执行这段代码的时候会保证语句1一定会在语句2前面执行吗？不一定，为什么呢？这里可能会发生指令重排序（Instruction Reorder）。比如上面的代码中，语句1和语句2谁先执行对最终的程序结果并没有影响，那么就有可能在执行过程中，语句2先执行而语句1后执行。但是要注意，虽然处理器会对指令进行重排序，但是它会保证程序最终结果会和代码顺序执行结果相同，那么它靠什么保证的呢？再看下面一个例子：

int a = 10;    //语句1
int r = 2;    //语句2
a = a + 3;    //语句3
r = a*a;     //语句4

上面代码执行的顺序是多样的，可能是语句1，语句2，语句3，语句4；也有可能是语句2，语句1，语句3，语句4。那么，上述代码的执行顺序有没有可能是语句3在前面执行呢？不可能，因为处理器在进行重排序时是会考虑指令之间的数据依赖性，如果一个指令Instruction 2必须用到Instruction 1的结果，那么处理器会保证Instruction 1会在Instruction 2之前执行。

在单线程中，重排序问题不会影响程序的最终运行结果，但是若是在多线程中，则会有可能产生比较严重的错误。

//线程1:
context = loadContext();   //语句1
inited = true;             //语句2

//线程2:
while(!inited ){
  sleep()
}
doSomethingwithconfig(context);

当有两个线程执行上述代码的时候，由于语句1和语句2之间不具有数据依赖性，所以就有可能出现重排序，如果发生了重排序，在线程1执行过程中先执行语句2，而此是线程2会以为初始化工作已经完成，那么就会跳出while循环，去执行doSomethingwithconfig(context)方法，而此时context并没有被初始化，就会导致程序出错。

在Java里面，可以通过volatile关键字来保证一定的有序性。另外可以通过synchronized和Lock来保证有序性，很显然，synchronized和Lock保证每个时刻是有一个线程执行同步代码，相当于是让线程顺序执行同步代码，自然就保证了有序性。

另外，Java内存模型具备一些先天的“有序性”，即不需要通过任何手段就能够得到保证的有序性，这个通常也称为 happens-before 原则。如果两个操作的执行次序无法从happens-before原则推导出来，那么它们就不能保证它们的有序性，虚拟机可以随意地对它们进行重排序。

下面就来具体介绍下happens-before原则（先行发生原则）：

• 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
• 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
• 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
• 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
• 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
• 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
• 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
• 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

这8条原则摘自《深入理解Java虚拟机》。

这8条规则中，前4条规则是比较重要的，后4条规则都是显而易见的。下面我们来解释一下前4条规则：

对于程序次序规则来说，我的理解就是一段程序代码的执行在单个线程中看起来是有序的。注意，虽然这条规则中提到“书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作”，这个应该是程序看起来执行的顺序是按照代码顺序执行的，因为虚拟机可能会对程序代码进行指令重排序。虽然进行重排序，但是最终执行的结果是与程序顺序执行的结果一致的，它只会对不存在数据依赖性的指令进行重排序。因此，在单个线程中，程序执行看起来是有序执行的，这一点要注意理解。事实上，这个规则是用来保证程序在单线程中执行结果的正确性，但无法保证程序在多线程中执行的正确性。

第二条规则也比较容易理解，也就是说无论在单线程中还是多线程中，同一个锁如果出于被锁定的状态，那么必须先对锁进行了释放操作，后面才能继续进行lock操作。

第三条规则是一条比较重要的规则，也是后文将要重点讲述的内容。直观地解释就是，如果一个线程先去写一个变量，然后一个线程去进行读取，那么写入操作肯定会先行发生于读操作。

第四条规则实际上就是体现happens-before原则具备传递性。

3.volatile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。

我们可以用下面的这个例子来说明一下：

public class LazySingleton {

    private static volatile LazySingleton instance = null;

    public static LazySingleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new LazySingleton();
        }

        return instance;
    }

    public static void main(String[] args) {
        LazySingleton.getInstance();
    }

}

按照上文所说，我们将上述的代码转变为汇编语言

Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM warning: PrintAssembly is enabled; turning on DebugNonSafepoints to gain additional output
CompilerOracle: compileonly *LazySingleton.getInstance
Loaded disassembler from D:\JDK\jre\bin\server\hsdis-amd64.dll
Decoding compiled method 0x0000000002931150:
Code:
Argument 0 is unknown.RIP: 0x29312a0 Code size: 0x00000108
[Disassembling for mach='amd64']
[Entry Point]
[Verified Entry Point]
[Constants]
  # {method} 'getInstance' '()Lorg/xrq/test/design/singleton/LazySingleton;' in 'org/xrq/test/design/singleton/LazySingleton'
  #           [sp+0x20]  (sp of caller)
  0x00000000029312a0: mov     dword ptr [rsp+0ffffffffffffa000h],eax
  0x00000000029312a7: push    rbp
  0x00000000029312a8: sub     rsp,10h           ;*synchronization entry
                                                ; - org.xrq.test.design.singleton.LazySingleton::getInstance@-1 (line 13)
  0x00000000029312ac: mov     r10,7ada9e428h    ;   {oop(a 'java/lang/Class' = 'org/xrq/test/design/singleton/LazySingleton')}
  0x00000000029312b6: mov     r11d,dword ptr [r10+58h]
                                                ;*getstatic instance
                                                ; - org.xrq.test.design.singleton.LazySingleton::getInstance@0 (line 13)
  0x00000000029312ba: test    r11d,r11d
  0x00000000029312bd: je      29312e0h
  0x00000000029312bf: mov     r10,7ada9e428h    ;   {oop(a 'java/lang/Class' = 'org/xrq/test/design/singleton/LazySingleton')}
  0x00000000029312c9: mov     r11d,dword ptr [r10+58h]
  0x00000000029312cd: mov     rax,r11
  0x00000000029312d0: shl     rax,3h            ;*getstatic instance
                                                ; - org.xrq.test.design.singleton.LazySingleton::getInstance@16 (line 17)
  0x00000000029312d4: add     rsp,10h
  0x00000000029312d8: pop     rbp
  0x00000000029312d9: test    dword ptr [330000h],eax  ;   {poll_return}
  0x00000000029312df: ret
  0x00000000029312e0: mov     rax,qword ptr [r15+60h]
  0x00000000029312e4: mov     r10,rax
  0x00000000029312e7: add     r10,10h
  0x00000000029312eb: cmp     r10,qword ptr [r15+70h]
  0x00000000029312ef: jnb     293135bh
  0x00000000029312f1: mov     qword ptr [r15+60h],r10
  0x00000000029312f5: prefetchnta byte ptr [r10+0c0h]
  0x00000000029312fd: mov     r11d,0e07d00b2h   ;   {oop('org/xrq/test/design/singleton/LazySingleton')}
  0x0000000002931303: mov     r10,qword ptr [r12+r11*8+0b0h]
  0x000000000293130b: mov     qword ptr [rax],r10
  0x000000000293130e: mov     dword ptr [rax+8h],0e07d00b2h
                                                ;   {oop('org/xrq/test/design/singleton/LazySingleton')}
  0x0000000002931315: mov     dword ptr [rax+0ch],r12d
  0x0000000002931319: mov     rbp,rax           ;*new  ; - org.xrq.test.design.singleton.LazySingleton::getInstance@6 (line 14)
  0x000000000293131c: mov     rdx,rbp
  0x000000000293131f: call    2907c60h          ; OopMap{rbp=Oop off=132}
                                                ;*invokespecial <init>
                                                ; - org.xrq.test.design.singleton.LazySingleton::getInstance@10 (line 14)
                                                ;   {optimized virtual_call}
  0x0000000002931324: mov     r10,rbp
  0x0000000002931327: shr     r10,3h
  0x000000000293132b: mov     r11,7ada9e428h    ;   {oop(a 'java/lang/Class' = 'org/xrq/test/design/singleton/LazySingleton')}
  0x0000000002931335: mov     dword ptr [r11+58h],r10d
  0x0000000002931339: mov     r10,7ada9e428h    ;   {oop(a 'java/lang/Class' = 'org/xrq/test/design/singleton/LazySingleton')}
  0x0000000002931343: shr     r10,9h
  0x0000000002931347: mov     r11d,20b2000h
  0x000000000293134d: mov     byte ptr [r11+r10],r12l
  0x0000000002931351: lock add dword ptr [rsp],0h  ;*putstatic instance
                                                ; - org.xrq.test.design.singleton.LazySingleton::getInstance@13 (line 14)
  0x0000000002931356: jmp     29312bfh
  0x000000000293135b: mov     rdx,703e80590h    ;   {oop('org/xrq/test/design/singleton/LazySingleton')}
  0x0000000002931365: nop
  0x0000000002931367: call    292fbe0h          ; OopMap{off=204}
                                                ;*new  ; - org.xrq.test.design.singleton.LazySingleton::getInstance@6 (line 14)
                                                ;   {runtime_call}
  0x000000000293136c: jmp     2931319h
  0x000000000293136e: mov     rdx,rax
  0x0000000002931371: jmp     2931376h
  0x0000000002931373: mov     rdx,rax           ;*new  ; - org.xrq.test.design.singleton.LazySingleton::getInstance@6 (line 14)
  0x0000000002931376: add     rsp,10h
  0x000000000293137a: pop     rbp
  0x000000000293137b: jmp     2932b20h          ;   {runtime_call}
[Stub Code]
  0x0000000002931380: mov     rbx,0h            ;   {no_reloc}
  0x000000000293138a: jmp     293138ah          ;   {runtime_call}
[Exception Handler]
  0x000000000293138f: jmp     292fca0h          ;   {runtime_call}
[Deopt Handler Code]
  0x0000000002931394: call    2931399h
  0x0000000002931399: sub     qword ptr [rsp],5h
  0x000000000293139e: jmp     2909000h          ;   {runtime_call}
  0x00000000029313a3: hlt
  0x00000000029313a4: hlt
  0x00000000029313a5: hlt
  0x00000000029313a6: hlt
  0x00000000029313a7: hlt

仔细的查看一下汇编指令，我们可以找到两行我们需要的

 0x0000000002931351: lock add dword ptr [rsp],0h  ;*putstatic instance
                                                ; - org.xrq.test.design.singleton.LazySingleton::getInstance@13 (line 14)

在这里，我们找到了volatile变量instance赋值的地方。后面的add dword ptr [rsp],0h都是正常的汇编语句，意思是将双字节的栈指针寄存器+0，这里的关键就是add前面的lock指令，正如上文所说，加了volatile关键字修饰的变量instance前面多了一个lock指令。

4.volatile关键字的使用场景

通常来说，使用volatile关键字，就是需要保证操作是原子性操作，只有这样才能保证使用volatile关键字的程序在并发时能够正确执行。

5.补充说明：原子性

原子性：即一个操作或者多个操作 要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断，要么就都不执行。在Java中，对基本数据类型的变量的读取和赋值操作是原子性操作，即这些操作是不可被中断的，要么执行，要么不执行。Java内存模型只保证了基本读取和赋值是原子性操作，如果要实现更大范围操作的原子性，可以通过synchronized和Lock来实现。由于synchronized和Lock能够保证任一时刻只有一个线程执行该代码块，那么自然就不存在原子性问题了，从而保证了原子性。

volatile关键字可以保证可见性，那么它又能否保证原子性呢？

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);
    }
}

执行上述的代码，得到的结果是9997，并非是想象中的10000，这又是为啥呢？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，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；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。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。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。

参考文章：

http://www.cnblogs.com/dolphin0520/

http://www.importnew.com/27002.html