【java】关键字volatile

volatile

1. 含义：

volatile是JVM提供的轻量级的同步机制，具有三个特点：保证可见性、不保证原子性、禁止指令重排。

1.1 保证可见性

一个线程修改了共享变量并写回主内存，其他线程可以自动知道共享变量发生了改变；即共享变量的变化对其他线程可见。这种自动不是指线程自身主动去读主内存的变量，而是由JVM主动告知各线程。通过volatile，解决了工作内存与主内存之间数据同步延迟造成的不可见问题。

验证：

•  import java.util.concurrent.TimeUnit;
  
   class MyData{
       volatile int number = 0;   //number就是共享变量
       public void add(){
           this.number = 10;
       }
   }
   /*
   1 验证volatile的可见性
       1.1 加入int number=0，number变量之前根本没有添加volatile关键字修饰,没有可见性
       1.2 添加了volatile，可以解决可见性问题
  
   * */
   public class VolatileDemo_1 {
       public static void main(String[] args){
           MyData myData = new MyData();
           System.out.println("initial:"+myData.number);
  
           new Thread(()->{
               System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":start");
               try{ TimeUnit.SECONDS.sleep(3);} catch(InterruptedException e) {e.printStackTrace();}
               myData.add();
               System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+myData.number);
               System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":finish");
           },"A").start();
  
           while(myData.number == 0){
               //System.out.println("loop");
           }
  
           System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+myData.number);
       }
   }

分析：

[ 1 ] 当没有添加volatile关键字，是不可见状态；

- while循环体内为空时：这时候，A是一个线程，经过3秒，A修改了变量number=10，并写回主内存；main是主线程，由于不可见，main无法自动获取number的变化，其值仍然为0，阻塞在while循环。如下图所示。

-  while循环体内不为空时（如一个输出语句）：同样，A是一个线程，经过3秒，A修改了变量number=10，并写回主内存；main是主线程，会读取主内存里面的值并执行循环体；虽然由于不可见不能自动获取number的变化，但它可以主动去读取主内存中变量的值，当主内存变量值变成10，则主线程会退出循环体。

[ 2 ] 当添加volatile关键字，是可见状态；（即 volatile int number = 0;）

-  while循环体内为空时：这时候，A是一个线程，经过3秒，A修改了变量number=10，并写回主内存；main是主线程，由于number有volatile修饰，为可见状态，main可以自动获取number的变化，其值变为10，可以自动退出while循环。这就说明了a线程对变量的修改对其他线程可见。

1.2 不保证原子性

原子性指的是不可分割，完整一体；在程序中，指的是线程执行某个事务时不被分割，事务里的指令要么全部成功，要么全部失败。在并发环境中，如果不能保证原子性，则程序结果可能出错。（不保证原子性，则并发的线程之间互相干扰，影响各种线程的事务的完整执行）。volatile的机制不保证原子性，因此说是轻量级的同步机制。

代码示例：

• import java.util.concurrent.TimeUnit;
  import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
  
  class MyData{
      volatile int number = 0;   //number就是共享变量
      public void addPlusPlus(){
          number++;   //++操作包括三步，从主内存读数据；加；写回主内存
      }
  
      AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();
      public void addMyAtommic(){
          atomicInteger.getAndIncrement();
      }
  }
  /*
  
   验证volatile不保证原子性
  
      1 原子性是不可分割，完整性，也即某个线程正在做某个具体业务时，中间不可以被加塞或者分割。
      需要整体完成，要么同时成功，要么同时失败。
  
      2 volatile不可以保证原子性演示
  
      3 如何解决原子性
          *加sync
          *使用我们的JUC下AtomicInteger
  
  * */
  public class VolatileDemo {
      public static void main(String[] args){
          MyData myData = new MyData();
          for (int i = 1; i <= 10 ; i++) {    //建立10个线程
              new Thread(()->{
                  for (int j = 1; j <= 1000 ; j++) {
                      myData.addPlusPlus();
                      myData.addMyAtommic();
                  }
              },String.valueOf(i)).start();
          }
  
          //需要等待上述10个线程都计算完成后，再用main线程去的最终的结果是多少？
          while(Thread.activeCount() > 2){
              Thread.yield();    //当前面的线程没有执行完，则不执行后面的主线程
          }
          ////结果不为10000，说明不保证原子性；
          //因为原子性意味着最终一致性，我们的算法逻辑的结果是10000，如果不等于10000，说明线程并发执行有互相干扰，导致原子性被破坏。
          System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t finnally number value: "+myData.number);
          System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t finnally number value: "+myData.atomicInteger);
      }
  }

  分析：可能出现两个线程在可见性还没生效时同时把加的结果写回主内存，造成+的操作出现冲突而丢失一些自增操作。

• 结果：

• 

1.3 禁止指令重排

在计算机执行程序时，为了提高性能，编译器和处理器会对指令进行重排。主要有编译器优化重排，指令并行重排、内存优化重排。指令重排时会考虑的是指令之间的依赖性（如：如果B依赖A，则B在A后）。如果是单线程，这些重排不会对结果造成影响；但如果是单线程，指令重排可能会造成程序执行出错。volatile通过禁止指令重排来保证有序性。有序性（以及可见性）是通过内存屏障（memory barrier）实现的。指令的有序性是保证最终数据一致性的基础。

拓展：

1） 内存屏障是一个CPU指令，是底层原语，其主要作用有两个：其一，是保证特定操作的有序性，通过插入内存屏障指令可以使内存屏障前后的指令不会重排序。其二，是保证某些变量的内存可见性，方法是强制cpu缓冲数据的刷出，从而使其他线程可以从内存到读取到特定变量的最新版。

2）单例模式（singleton）：单例模式的意思就是只有一个实例。单例模式确保某一个类只有一个实例，而且自行实例化并向整个系统提供这个实例。这个类称为单例类。单例模式常见的有懒汉方式（类加载的时候，不会创建对象，调用时才会创建对象。因此类加载速度快，线程相对不安全）和饿汉方式（类加载的时候，创建对象。 因此类加载速度慢， 线程相对安全）。懒汉模式线程不安全，可以通过synchronized对代码段进行加锁保证线程安全，但限制了高并发。

3）多线程下的单例DCL（双端检锁机制）：通过两次判断，一次加锁，从而避免了整个代码段的加锁；但仍然线程不安全，因为有指令重排的存在。可以通过volatile修饰禁止指令重排，从而最终保证了线程安全。