java中volatile关键字的理解

一、基本概念

Java 内存模型中的可见性、原子性和有序性。
可见性：

　　可见性是一种复杂的属性，因为可见性中的错误总是会违背我们的直觉。通常，我们无法确保执行读操作的线程能适时地看到其他线程写入的值，有时甚至是根本不可能的事情。为了确保多个线程之间对内存写入操作的可见性，必须使用同步机制。

　　可见性，是指线程之间的可见性，一个线程修改的状态对另一个线程是可见的。也就是一个线程修改的结果。另一个线程马上就能看到。比如：用volatile修饰的变量，就会具有可见性。volatile修饰的变量不允许线程内部缓存和重排序，即直接修改内存。所以对其他线程是可见的。但是这里需要注意一个问题，volatile只能让被他修饰内容具有可见性，但不能保证它具有原子性。比如 volatile int a = 0；之后有一个操作 a++；这个变量a具有可见性，但是a++ 依然是一个非原子操作，它是一个由读取－修改－写入操作序列组成的组合操作，必须以原子方式执行，而 volatile 不能提供必须的原子特性，也就是这个操作同样存在线程安全问题。

　　在 Java 中volatile、synchronized和final实现可见性。

原子性：

　　原子是世界上的最小单位，具有不可分割性。比如 a=0；（a非long和double类型） 这个操作是不可分割的，那么我们说这个操作时原子操作。再比如：a++； 这个操作实际是a = a + 1；是可分割的，是一个复合操作，所以他不是一个原子操作。非原子操作都会存在线程安全问题，需要我们使用同步技术（sychronized）来让它变成一个原子操作。一个操作是原子操作，那么我们称它具有原子性。java的concurrent包下提供了一些原子类，我们可以通过阅读API来了解这些原子类的用法。比如：AtomicInteger、AtomicLong、AtomicReference等。

　　在 Java 中synchronized和在lock、unlock中操作保证原子性。

有序性：

　　Java 语言提供了volatile和synchronized两个关键字来保证线程之间操作的有序性，volatile是因为其本身包含“禁止指令重排序”的语义，synchronized是由“一个变量在同一个时刻只允许一条线程对其进行lock操作”这条规则获得的，此规则决定了持有同一个对象锁的两个同步块只能串行执行。

下面内容摘录自《Java Concurrency in Practice》：

　　下面一段代码在多线程环境下，将存在问题。

/**
  * @author zhengbinMac
  */
 public class NoVisibility {
     private static boolean ready;
     private static int number;
     private static class ReaderThread extends Thread {
         @Override
         public void run() {
             while(!ready) {
                 Thread.yield();
             }
             System.out.println(number);
         }
     }
     public static void main(String[] args) {
         new ReaderThread().start();
         number = 42;
         ready = true;
     }
 }

　　NoVisibility可能会持续循环下去，因为读线程可能永远都看不到ready的值。甚至NoVisibility可能会输出0，因为读线程可能看到了写入ready的值，但却没有看到之后写入number的值，这种现象被称为“重排序”。只要在某个线程中无法检测到重排序情况（即使在其他线程中可以明显地看到该线程中的重排序），那么就无法确保线程中的操作将按照程序中指定的顺序来执行。当主线程首先写入number，然后在没有同步的情况下写入ready，那么读线程看到的顺序可能与写入的顺序完全相反。

二、Volatile原理

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　　Java语言提供了一种稍弱的同步机制，即volatile变量，用来确保将变量的更新操作通知到其他线程。当把变量声明为volatile类型后，编译器与运行时都会注意到这个变量是共享的，因此不会将该变量上的操作与其他内存操作一起重排序。volatile变量不会被缓存在寄存器或者对其他处理器不可见的地方，因此在读取volatile类型的变量时总会返回最新写入的值。

　　在访问volatile变量时不会执行加锁操作，因此也就不会使执行线程阻塞，因此volatile变量是一种比sychronized关键字更轻量级的同步机制。

　　当对非volatile变量进行读写的时候，每个线程先从内存拷贝变量到CPU缓存中。如果计算机有多个CPU，每个线程可能在不同的CPU上被处理，这意味着每个线程可以拷贝到不同的 CPU cache中。

　　而声明变量是volatile的，JVM保证了每次读变量都从主内存中读，跳过CPU cache或者叫工作内存这一步。

　　当一个变量定义为volatile之后，将具备两种特性：

　　1.保证此变量对所有线程的可见性。在java虚拟机的内存模型中，有主内存和工作内存的概念，每个线程对应一个工作内存，并共享主内存的数据，下面看看操作普通变量和volatile变量有什么不同：保证此变量对所有的线程的可见性，对于volatile变量，读操作时JMM会把工作内存中对应的值设为无效，要求线程从主内存中读取数据;写操作时JMM会把工作内存中对应的数据刷新到主内存中，这种情况下，其它线程就可以读取变量的最新值。而对于普通变量：读操作会优先读取工作内存的数据，如果工作内存中不存在，则从主内存中拷贝一份数据到工作内存中;写操作只会修改工作内存的副本数据，这种情况下，其它线程就无法读取变量的最新值。

　　2.禁止指令重排序优化。有volatile修饰的变量，赋值后多执行了一个“load addl $0x0, (%esp)”操作，这个操作相当于一个内存屏障（指令重排序时不能把后面的指令重排序到内存屏障之前的位置），又称内存栅栏，是一个CPU指令，只有一个CPU访问内存时，并不需要内存屏障；（什么是指令重排序：是指CPU采用了允许将多条指令不按程序规定的顺序分开发送给各相应电路单元处理）。

三、volatile性能：

　　volatile 的读性能消耗与普通变量几乎相同，但是写操作稍慢，因为它需要在本地代码中插入许多内存屏障指令来保证处理器不发生乱序执行。

四、正确使用volatile变量的条件

您只能在有限的一些情形下使用volatile变量替代锁。要使volatile变量提供理想的线程安全，必须同时满足下面两个条件：

• 对变量的写操作不依赖于当前值。如多线程下执行a++，就不满足，因为该操作需要依赖a的值。
• 该变量没有包含在具有其他变量的不变式中，这句话有点拗口，看代码比较直观。代码如下：

public class NumberRange {

    private volatile int lower = 0;

    private volatile int upper = 10;

    public int getLower() {
        return lower;
    }

    public int getUpper() {
        return upper;
    }

    public void setLower(int value) {
        if (value > upper)
            throw new IllegalArgumentException("");
        lower = value;
    }

    public void setUpper(int value) {
        if (value < lower)
            throw new IllegalArgumentException("");
        upper = value;
    }
}

上述代码中，上下界初始化分别为0和10，假设线程A和B在某一时刻同时执行了setLower(8)和setUpper(5)，且都通过了不变式的检查，设置了一个无效范围(8, 5)，所以在这种场景下，需要通过sychronize保证方法setLower和setUpper在每一时刻只有一个线程能够执行。

五、使用volatile关键字的四个场景

1，状态标志

也许实现volatile变量的规范使用仅仅是使用一个布尔状态标志，用于指示发生了一个重要的一次性事件，例如完成初始化或请求停机。或者在高并发的场景中，通过一个boolean类型的变量isopen，控制代码是否走促销逻辑。

2、一次性安全发布（one-time safe publication）

线程在启动阶段从数据库加载一些数据，其他代码在能够利用这些数据时，在使用之前将检查这些数据是否曾经发布过。

3、独立观察（independent observation）

定期 “发布” 观察结果供程序内部使用，例如，假设有一种环境传感器能够感觉环境温度。一个后台线程可能会每隔几秒读取一次该传感器，并更新包含当前文档的 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。或者其他场景，如收集程序的统计信息，身份验证机制如何记忆最近一次登录的用户的名字。将反复使用 lastUser 引用来发布值，以供程序的其他部分使用。示例：

//定义一个volatile类型的接口变量，用于计数
private volatile CounterManager counterManager;

//实例化该变量，它有一个实现类
SampledStatisticsImpl(QuartzScheduler scheduler) {
　　this.scheduler = scheduler;
　　counterManager = new CounterManagerImpl(new Timer(NAME+"Timer"));
}

//使用该变量
public void shutdown() {
　　counterManager.shutdown(true);
}

CounterManagerImpl实现类shutdown的方法：

/**
     * {@inheritDoc}
     */
    public synchronized void shutdown(boolean killTimer) {
        if (shutdown) {
            return;
        }
        try {
            // shutdown the counters of this counterManager
            for (Counter counter : counters) {
                if (counter instanceof SampledCounter) {
                    ((SampledCounter) counter).shutdown();
                }
            }
            if(killTimer)
                timer.cancel();
        } finally {
            shutdown = true;
        }
    }

4、“volatile bean”模式

在volatile bean模式中，JavaBean被用作一组具有getter和/或setter方法的独立属性的容器。volatile bean模式的基本原理是：很多框架为易变数据的持有者（例如 HttpSession）提供了容器，但是放入这些容器中的对象必须是线程安全的。

本文转自：

https://www.cnblogs.com/shoshana-kong/p/9066888.html

https://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-jtp06197.html

https://www.cnblogs.com/chengxiao/p/6528109.html