深入理解java：2.1. volatile的使用及其原理

引言

在多线程并发编程中synchronized和Volatile都扮演着重要的角色，Volatile是轻量级的synchronized，它在多处理器开发中保证了共享变量的“可见性”。

可见性的意思是当一个线程修改一个共享变量时，另外一个线程能读到这个修改的值。

它在某些情况下比synchronized的开销更小，本文将深入分析在硬件层面上Inter处理器是如何实现Volatile的，通过深入分析能帮助我们正确的使用Volatile变量。

Volatile的官方定义

如果一个字段被声明成volatile，java线程内存模型确保所有线程看到这个变量的值是一致的。

为什么要使用Volatile

Volatile变量比synchronized的使用和执行成本会更低，因为它不会引起线程上下文的切换和调度。

Volatile的实现原理

那么Volatile是如何来保证可见性的呢？

在x86处理器下通过工具获取JIT编译器生成的汇编指令来看看对Volatile进行写操作CPU会做什么事情。

Java代码：	instance = new Singleton();//instance是volatile变量
汇编代码：	0x01a3de1d: movb $0x0,0x1104800(%esi);0x01a3de24: lock addl $0x0,(%esp);

有volatile变量修饰的共享变量进行写操作的时候会多第二行汇编代码，通过查IA-32架构软件开发者手册可知，lock前缀的指令在多核处理器下会引发了两件事情。

将当前处理器缓存行的数据会写回到系统内存。
这个写回内存的操作会引起在其他CPU里缓存了该内存地址的数据无效。

如果对声明了Volatile变量进行写操作，JVM就会向处理器发送一条Lock前缀的指令，将这个变量所在缓存行的数据写回到系统内存。

但是就算写回到内存，如果其他处理器缓存的值还是旧的，再执行计算操作就会有问题，所以在多处理器下，为了保证各个处理器的缓存是一致的，就会实现缓存一致性协议.

每个处理器通过嗅探在总线上传播的数据来检查自己缓存的值是不是过期了，当处理器发现自己缓存行对应的内存地址被修改，就会将当前处理器的缓存行设置成无效状态，当处理器要对这个数据进行修改操作的时候，会强制重新从系统内存里把数据读到处理器缓存里。

Volatile的应用场景

volatile能保证共享变量的可见性，但不能保证原子性。

volatile相对于synchronized，最大的好处是某些情况下它的性能高，而且使用起来直观简便。

如果你的“代码本身能保证原子性”，那么用volatile是个不错的选择：

这里所说的代码本身能保证原子性，是指：

1，对变量的写操作，不依赖于当前的值（就是说，不会先读取当前值，然后在当前值的基础上进行改变，比如，不是自增，而是赋值）；

2，变量没有包含在 其它变量的不变式中（这一点不是很好理解，可以参考这里：http://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-jtp06197.html）

一个最常见的volatile的应用场景是boolean的共享状态标志位，或者单例模式的双重检查锁

1.状态标记量

volatile boolean flag = false;

while(!flag){

doSomething();

}

public void setFlag() {

flag = true;

}

volatile boolean inited = false;

//线程1:

context = loadContext();

inited = true;

//线程2:

while(!inited ){

sleep()

}

doSomethingwithconfig(context);

2.double check

class Singleton{

private volatile static Singleton instance = null;

private Singleton() {

}

public static Singleton getInstance() {

if(instance==null) {

synchronized (Singleton.class) {

if(instance==null)

instance = new Singleton();

}

return instance;

}

另外，有一个关于volatile的常见的坑就是：

从上面的描述可以看出，volatile对于基本数据类型（值直接从主内存向工作内存copy）才有用。

但是对于对象来说，似乎没有用，因为volatile只是保证对象引用的可见性，而对对象内部的字段，它保证不了任何事。

即便是在使用ThreadLocal时，每个线程都有一份变量副本，这些副本本身也是存储在堆中的，线程栈桢中保存的仍然是基本数据类型和变量副本的引用。

事实上，如果一个对象被volatile修饰，那么就表示它的引用具有了可见性。从而使得对于变量引用的任何变更，都在线程间可见。

这一点在后面将要介绍的AtomicReference中就有应用。