前言

随着互联网企业的兴起，对我们技术的要求也越来越高，很多时候企业又想省钱，又想发挥出机器的最大性能，真是累坏了程序员们。

当然，想要适应社会的进步，程序员也要不断的给自己充电，但人能忘本，基础知识还是要学扎实的。

这不，有位同学就来找我诉苦了，前两次面试都挺顺利的，到了三面竟然栽在了volatile关键字上。

下面我们就来好好聊聊volatile

volatile

volatile 是一个类型修饰符。volatile 的作用是作为指令关键字，确保本条指令不会因编译器的优化而省略

volatile 的特性

• 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。（实现可见性）
• 禁止进行指令重排序。（实现有序性）
• volatile 只能保证对单次读/写的原子性。i++ 这种操作不能保证原子性。

关于volatile 原子性可以理解为把对volatile变量的单个读/写，看成是使用同一个锁对这些单个读/写操作做了同步，就跟下面的SoWhat跟SynSoWhat功能类似哦。

class SoWhat{
    volatile int i = 0; // volatile修饰的变量
    public int getI(){
        return i;// 单个volatile变量的读
    }
    public  void setI(int j){
        this.i = j; // 单个volatile 变量的写
    }
    public void inc(){
        i++;//复合多个volatile 变量
    }
}
class SynSoWhat{
     int i = 0;
    public synchronized int getI(){
        return i;
    }
    public  synchronized void setI(int j){
        this.i = j;
    }
    public void inc(){ // 普通方法调用
        int tmp = getI(); // 调用已同步方法
        tmp = tmp + 1;//普通写方法
        setI(tmp);// 调用已同步方法
    }
}

写理解

volatile写的内存语义如下：

当写一个volatile变量时，JMM会把该线程对应的本地中的共享变量值刷新到主内存。

public class VolaSemanteme {
	int a = 0;
	volatile boolean flag = false; // 这是重点哦
	public void init() {
		a = 1; 
		flag = true; 
		//.......
	}
	public void use() {
		if (flag) { 
			int i = a * a; 
		}
		//.......
	}
}

线程A调用init方法，线程B调用use方法。

读理解

volatile读的内存语义如下：

当读一个volatile变量时，JMM会把该线程对应的本地内存置为无效。线程接下来将从主内存中读取共享变量。

public class VolaSemanteme {

int a = 0;

volatile boolean flag = false; // 这是重点哦

public void init() {

a = 1;

flag = true;

//.......

}

public void use() {

if (flag) {

int i = a * a;

}

//.......

}

}

流程图大致是这样的：

volatile 指令重排

volatile 变量的内存可见性是基于内存屏障（Memory Barrier）实现。关于内存屏障的具体讲解以前写过不再重复，JMM装逼于无形这里说过。总结来说就是JMM内部会有指令重排，并且会有af-if-serial跟happen-before的理念来保证指令重排的正确性。内存屏障就是基于4个汇编级别的关键字来禁止指令重排的，其中volatile的重排规则如下：

• 第一个为读操作时，第二个任何操作不可重排序到第一个前面。
• 第二个为写操作时，第一个任何操作不可重排序到第二个后面。
• 第一个为写操作时，第二个的读写操作也不运行重排序。

volatile写底层实现

JMM对volatile的内存屏障插入策略

在每个volatile写操作的前面插入一个StoreStore屏障。在每个volatile写操作的后面插入一个StoreLoad屏障。

volatile 读底层实现

JMM对volatile的内存屏障插入策略

在每个volatile读操作的后面插入一个LoadLoad屏障。在每个volatile读操作的后面插入一个LoadStore屏障。

中重点说下volatile读后面为什么跟了个LoadLoad。加入我有如下代码 AB两个线程执行，B线程的flag获取下面的读被提前了。

volatile的实现原理

有volatile变量修饰的共享变量进行写操作的时候会使用CPU提供的Lock前缀指令。在CPU级别的功能如下：

将当前处理器缓存行的数据写回到系统内存

这个写回内存的操作会告知在其他CPU你们拿到的变量是无效的下一次使用时候要重新共享内存拿。

我们可以通过jitwatch对简单的代码进行详细的反汇编看一下。

package com.sowhat.demo;
public class VolaSemanteme {
    int unvloatileVal = 0;
    volatile boolean flag = false;
    public void init() {
        unvloatileVal = 1;
        flag = true; // 第九行哦
    }
    public void use() {
        if (flag) {
            int LocalA = unvloatileVal;
            if (LocalA == 0) {
                throw new RuntimeException("error");
            }
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        VolaSemanteme volaSemanteme = new VolaSemanteme();
        volaSemanteme.init();
        volaSemanteme.use();
    }
}

对普通变量的赋值操作：

对volatile变量的赋值操作。

可以对比得出，volatile 修饰的变量确实会多一个 lock addl $0x0,(%rsp) 指令。

0x0000000114ce95cb: lock addl $0x0,(%rsp)  ;*putfield flag
  ; - com.sowhat.demo.VolaSemanteme::init@7 (line 9)

volatile 的应用场景

使用 volatile 必须具备的条件

• 对变量的写操作不依赖于当前值。
• 该变量没有包含在具有其他变量的不变式中。

只有在状态真正独立于程序内其他内容时才能使用 volatile。

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。

volatile boolean shutdownRequested;
......
public void shutdown() { shutdownRequested = true; }
public void doWork() { 
    while (!shutdownRequested) { 
        // do stuff
    }
}

一次性安全发布（one-time safe publication）

缺乏同步会导致无法实现可见性，这使得确定何时写入对象引用而不是原始值变得更加困难。在缺乏同步的情况下，可能会遇到某个对象引用的更新值（由另一个线程写入）和该对象状态的旧值同时存在。（这就是造成著名的双重检查锁定（double-checked-locking）问题的根源，其中对象引用在没有同步的情况下进行读操作，产生的问题是您可能会看到一个更新的引用，但是仍然会通过该引用看到不完全构造的对象）。

public class BackgroundFloobleLoader {
    public volatile Flooble theFlooble;
 
    public void initInBackground() {
        // do lots of stuff
        theFlooble = new Flooble();  // this is the only write to theFlooble
    }
}
 
public class SomeOtherClass {
    public void doWork() {
        while (true) { 
            // do some stuff...
            // use the Flooble, but only if it is ready
            if (floobleLoader.theFlooble != null) 
                doSomething(floobleLoader.theFlooble);
        }
    }
}

模独立观察（independent observation）

安全使用 volatile 的另一种简单模式是定期 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。

public class UserManager {
    public volatile String lastUser;
 
    public boolean authenticate(String user, String password) {
        boolean valid = passwordIsValid(user, password);
        if (valid) {
            User u = new User();
            activeUsers.add(u);
            lastUser = user;
        }
        return valid;
    }
}

volatile bean 模式

在 volatile bean 模式中，JavaBean 的所有数据成员都是 volatile 类型的，并且 getter 和 setter 方法必须非常普通 —— 除了获取或设置相应的属性外，不能包含任何逻辑。此外，对于对象引用的数据成员，引用的对象必须是有效不可变的。（这将禁止具有数组值的属性，因为当数组引用被声明为 volatile 时，只有引用而不是数组本身具有 volatile 语义）。对于任何 volatile 变量，不变式或约束都不能包含 JavaBean 属性。

@ThreadSafe
public class Person {
    private volatile String firstName;
    private volatile String lastName;
    private volatile int age;
 
    public String getFirstName() { return firstName; }
    public String getLastName() { return lastName; }
    public int getAge() { return age; }
 
    public void setFirstName(String firstName) { 
        this.firstName = firstName;
    }
 
    public void setLastName(String lastName) { 
        this.lastName = lastName;
    }
 
    public void setAge(int age) { 
        this.age = age;
    }
}

开销较低的读－写锁策略

volatile 的功能还不足以实现计数器。因为 ++x 实际上是三种操作（读、添加、存储）的简单组合，如果多个线程凑巧试图同时对 volatile 计数器执行增量操作，那么它的更新值有可能会丢失。 如果读操作远远超过写操作，可以结合使用内部锁和 volatile 变量来减少公共代码路径的开销。 安全的计数器使用 synchronized 确保增量操作是原子的，并使用 volatile 保证当前结果的可见性。如果更新不频繁的话，该方法可实现更好的性能，因为读路径的开销仅仅涉及 volatile 读操作，这通常要优于一个无竞争的锁获取的开销。

@ThreadSafe
public class CheesyCounter {
    // Employs the cheap read-write lock trick
    // All mutative operations MUST be done with the 'this' lock held
    @GuardedBy("this") private volatile int value;
 
    public int getValue() { return value; }
 
    public synchronized int increment() {
        return value++;
    }
}

双重检查（double-checked）

单例模式的一种实现方式，但很多人会忽略 volatile 关键字，因为没有该关键字，程序也可以很好的运行，只不过代码的稳定性总不是 100%，说不定在未来的某个时刻，隐藏的 bug 就出来了。

class Singleton {
    private volatile static Singleton instance;
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            syschronized(Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    } 
}

推荐懒加载优雅写法 Initialization on Demand Holder（IODH）。

public class Singleton {  
    static class SingletonHolder {  
        static Singleton instance = new Singleton();  
    }  
      
    public static Singleton getInstance(){  
        return SingletonHolder.instance;  
    }  
}