你真的了解volatile关键字吗？

volatile的语义

一旦一个共享变量（类的成员变量、类的静态成员变量）被volatile修饰之后，那么就具备了两层语义：

• 保证了不同线程对这个变量进行操作时的可见性

  即一个线程修改了某个变量的值，这新值对其他线程来说是立即可见的

• 禁止进行指令重排序

  举例，线程1先执行，线程2后执行：

  1//线程1
  2boolean stop = false;
  3while(!stop){
  4    doSomething();
  5}
  6//线程2
  7stop = true;

这段代码是很典型的一段代码，很多人在中断线程时可能都会采用这种标记办法

但是事实上，这段代码会完全运行正确么？即一定会将线程中断么？

不一定，也许在大多数时候，这个代码能够把线程中断，但是也有可能会导致无法中断线程（虽然这个可能性很小，但是只要一旦发生这种情况就会造成死循环了）

无法中断，导致死循环的原因：

• 每个线程在运行过程中都有自己的工作内存，那么线程1在运行的时候，会将stop变量的值拷贝一份放在自己的工作内存当中
• 那么当线程2更改了stop变量的值之后，但是还没来得及写入主存当中，线程2转去做其他事情了，那么线程1由于不知道线程2对stop变量的更改，因此还会一直循环下去

当我们使用volatile修饰了flag之后就不一样了，使用volatile关键字会强制将修改的值立即写入主存：

• 使用volatile关键字的话，当线程2进行修改时，会导致线程1的工作内存中缓存变量stop的缓存值无效
• 由于线程1的工作内存中缓存变量stop的缓存值无效，所以线程1再次读取变量stop的值时会去主存读取stop的值
• 那么在线程2修改stop值时（这里包括2个操作：修改线程2工作内存中的值，然后将修改后的值写入内存），会使得线程1的工作内存中缓存变量stop的缓存值无效，然后线程1读取时，发现自己的缓存值无效，它就会等待缓存值对应的主存地址被更新之后，然后去对应的主存读取最新的值
• 那么，线程1读取到的就是最新的正确的值

volatile与原子性（无法保证所有的操作都具有原子性）

从上面知道volatile关键保证了操作的可见性，但是volatile能保证对变量操作的原子性吗？

看如下的一个例子

有个被volatile修饰的int类型的变量inc初始值为0，此时有10个线程对这个变量去进行增加的操作，每个变量增加到1000，那么最终结果按道理来说是1000*10=10000的，但是并不能，运行出来可能是一个小于10000的数字（调用了，Thread.yield()方法，暂停当前正在执行的线程对象,并执行其他线程）

存在的误区

可能有的朋友就会有疑问，不对啊，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

事实

在前面已经提到过，自增操作是不具备原子性的，它的步骤包括：

• 读取变量的原始值
• 进行加1操作
• 写入工作内存，刷到主存中去

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，此时线程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的缓存值无效，同时线程2从主存中读取到的值也是没有任何修改的10
• 因此线程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却只增加1

存在的疑问

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，会让缓存值无效吗？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

解决方案

解决的方法也就是提供原子性的自增操作即可：

在Java 1.5的java.util.concurrent.atomic包下提供了一些原子操作类，即对基本数据类型的 自增，自减、以及加法操作，减法操作进行了封装，保证这些操作是原子性操作；atomic是利用CAS来实现原子性操作的（Compare And Swap），CAS实际上是利用处理器提供的CMPXCHG指令实现的，而处理器执行CMPXCHG指令是一个原子性操作

针对本案例，可以使用AtomicInteger来替换int，它利用了CAS算法来保证了原子性

volatile与有序性（防止指令重排）

在前面提到volatile关键字能禁止指令重排序，所以volatile能在一定程度上保证有序性；volatile关键字禁止指令重排序有两层意思：

• 当程序执行到volatile变量的读操作或者写操作时

  在volatile这个操作前面的操作的更改肯定全部已经进行

  且结果已经对后面的操作可见

• 在volatile这个操作后面的操作肯定还没有进行

  在进行指令优化时

  不能将在对volatile变量访问的语句放在其后面执行

  也不能把volatile变量后面的语句放到其前面执行

例子

可能上面说的比较绕，举个简单的例子：

1//x、y为非volatile变量
2//flag为volatile变量
3x = 2;        //语句1
4y = 0;        //语句2
5flag = true;    //语句3
6x = 4;         //语句4
7y = -1;        //语句5

由于flag变量为volatile变量，那么在进行指令重排序的过程的时候：

• 不会将语句3放到语句1、语句2前面
• 也不会将语句3放到语句4、语句5后面
• 但是要注意语句1和语句2的顺序、语句4和语句5的顺序是不作任何保证的

并且volatile关键字能保证，执行到语句3时：

• 语句1和语句2必定是执行完毕了的
• 且语句1和语句2的执行结果对语句3、语句4、语句5是可见的

指令重排的应用（双重懒加载的单例模式）

一个最经典的使用场景就是双重懒加载的单例模式了：

这里的volatile关键字主要是为了防止指令重排

singleton = new Singleton()这段代码，其实是分三步走的：

• 分配内存空间
• 初始化对象

• 将singleton对象指向分配的内存地址

  加上 volatile 是为了让以上的三步操作顺序执行，反之有可能第三步在第二步之前被执行，那么就有可能某个线程拿到的单例对象是还没有初始化的，以致于报错

volatile的实现机制

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：

• 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

• 它会强制将对缓存的修改操作立即写入主存

• 如果是写操作（即修改操作），它会导致其他CPU中对应的缓存值无效