1.volatile關鍵字的兩層語義
一旦一個共享變量（類的成員變量、類的靜態成員變量）被volatile修飾之后，那么就具備了兩層語義：
1）保證了不同線程對這個變量進行操作時的可見性，即一個線程修改了某個變量的值，這新值對其他線程來說是立即可見的。
2）禁止進行指令重排序。
先看一段代碼，假如線程1先執行，線程2后執行：
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//線程1
boolean
stop =
false
;
while
(!stop){
doSomething();
}
//線程2
stop =
true
;
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這段代碼是很典型的一段代碼，很多人在中斷線程時可能都會采用這種標記辦法。但是事實上，這段代碼會完全運行正確么？即一定會將線程中斷么？不一定，也許在大多數時候，這個代碼能夠把線程中斷，但是也有可能會導致無法中斷線程（雖然這個可能性很小，但是只要一旦發生這種情況就會造成死循環了）。
下面解釋一下這段代碼為何有可能導致無法中斷線程。在前面已經解釋過，每個線程在運行過程中都有自己的工作內存，那么線程1在運行的時候，會將stop變量的值拷貝一份放在自己的工作內存當中。
那么當線程2更改了stop變量的值之后，但是還沒來得及寫入主存當中，線程2轉去做其他事情了，那么線程1由於不知道線程2對stop變量的更改，因此還會一直循環下去。
但是用volatile修飾之后就變得不一樣了：
第一：使用volatile關鍵字會強制將修改的值立即寫入主存；
第二：使用volatile關鍵字的話，當線程2進行修改時，會導致線程1的工作內存中緩存變量stop的緩存行無效（反映到硬件層的話，就是CPU的L1或者L2緩存中對應的緩存行無效）；
第三：由於線程1的工作內存中緩存變量stop的緩存行無效，所以線程1再次讀取變量stop的值時會去主存讀取。
那么在線程2修改stop值時（當然這里包括2個操作，修改線程2工作內存中的值，然后將修改后的值寫入內存），會使得線程1的工作內存中緩存變量stop的緩存行無效，然后線程1讀取時，發現自己的緩存行無效，它會等待緩存行對應的主存地址被更新之后，然后去對應的主存讀取最新的值。
那么線程1讀取到的就是最新的正確的值。
2.volatile保證原子性嗎？
從上面知道volatile關鍵字保證了操作的可見性，但是volatile能保證對變量的操作是原子性嗎？
下面看一個例子：
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public
class
Test {
public
volatile
int
inc =
0
;
public
void
increase() {
inc++;
}
public
static
void
main(String[] args) {
final
Test test =
new
Test();
for
(
int
i=
0
;i<
10
;i++){
new
Thread(){
public
void
run() {
for
(
int
j=
0
;j<
1000
;j++)
test.increase();
};
}.start();
}
while
(Thread.activeCount()>
1
)
//保證前面的線程都執行完
Thread.yield();
System.out.println(test.inc);
}
}
|
大家想一下這段程序的輸出結果是多少？也許有些朋友認為是10000。但是事實上運行它會發現每次運行結果都不一致，都是一個小於10000的數字。
可能有的朋友就會有疑問，不對啊，上面是對變量inc進行自增操作，由於volatile保證了可見性，那么在每個線程中對inc自增完之后，在其他線程中都能看到修改后的值啊，所以有10個線程分別進行了1000次操作，那么最終inc的值應該是1000*10=10000。
這里面就有一個誤區了，volatile關鍵字能保證可見性沒有錯，但是上面的程序錯在沒能保證原子性。可見性只能保證每次讀取的是最新的值，但是volatile沒辦法保證對變量的操作的原子性。
在前面已經提到過，自增操作是不具備原子性的，它包括讀取變量的原始值、進行加1操作、寫入工作內存。那么就是說自增操作的三個子操作可能會分割開執行，就有可能導致下面這種情況出現：
假如某個時刻變量inc的值為10，
線程1對變量進行自增操作，線程1先讀取了變量inc的原始值，然后線程1被阻塞了；
然后線程2對變量進行自增操作，線程2也去讀取變量inc的原始值，由於線程1只是對變量inc進行讀取操作，而沒有對變量進行修改操作，所以不會導致線程2的工作內存中緩存變量inc的緩存行無效，所以線程2會直接去主存讀取inc的值，發現inc的值時10，然后進行加1操作，並把11寫入工作內存，最后寫入主存。
然后線程1接着進行加1操作，由於已經讀取了inc的值，注意此時在線程1的工作內存中inc的值仍然為10，所以線程1對inc進行加1操作后inc的值為11，然后將11寫入工作內存，最后寫入主存。
那么兩個線程分別進行了一次自增操作后，inc只增加了1。使用表格描述上述過程：
| inc自增操作步驟 | 線程1 | 線程2 |
| 讀取inc | 1 | 3 |
| inc加1操作 | 2 | 4 |
| inc寫入內存 | 6 | 5 |
按照1-6步驟執行的話，兩個線程對inc加1之后，inc的值還是1。
解釋到這里，可能有朋友會有疑問，不對啊，前面不是保證一個變量在修改volatile變量時，會讓緩存行無效嗎？然后其他線程去讀就會讀到新的值，對，這個沒錯。這個就是上面的happens-before規則中的volatile變量規則，但是要注意，線程1對變量進行讀取操作之后，被阻塞了的話，並沒有對inc值進行修改。然后雖然volatile能保證線程2對變量inc的值讀取是從內存中讀取的，但是線程1沒有進行修改，所以線程2根本就不會看到修改的值。
根源就在這里，自增操作不是原子性操作，而且volatile也無法保證對變量的任何操作都是原子性的。但是，上面一個例子對stop變量的修改是原子性的。
把上面的代碼改成以下任何一種都可以達到效果：
采用synchronized (對inc++自增操作使用synchronized修飾，保證自增操作的原子性)：
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public
class
Test {
public
int
inc =
0
;
public
synchronized
void
increase() {
inc++;
}
public
static
void
main(String[] args) {
final
Test test =
new
Test();
for
(
int
i=
0
;i<
10
;i++){
new
Thread(){
public
void
run() {
for
(
int
j=
0
;j<
1000
;j++)
test.increase();
};
}.start();
}
while
(Thread.activeCount()>
1
)
//保證前面的線程都執行完
Thread.yield();
System.out.println(test.inc);
}
}
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采用Lock (對自增操作進行加鎖)：
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public
class
Test {
public
int
inc =
0
;
Lock lock =
new
ReentrantLock();
public
void
increase() {
lock.lock();
try
{
inc++;
}
finally
{
lock.unlock();
}
}
public
static
void
main(String[] args) {
final
Test test =
new
Test();
for
(
int
i=
0
;i<
10
;i++){
new
Thread(){
public
void
run() {
for
(
int
j=
0
;j<
1000
;j++)
test.increase();
};
}.start();
}
while
(Thread.activeCount()>
1
)
//保證前面的線程都執行完
Thread.yield();
System.out.println(test.inc);
}
}
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采用AtomicInteger：
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public
class
Test {
public
AtomicInteger inc =
new
AtomicInteger();
public
void
increase() {
inc.getAndIncrement();
}
public
static
void
main(String[] args) {
final
Test test =
new
Test();
for
(
int
i=
0
;i<
10
;i++){
new
Thread(){
public
void
run() {
for
(
int
j=
0
;j<
1000
;j++)
test.increase();
};
}.start();
}
while
(Thread.activeCount()>
1
)
//保證前面的線程都執行完
Thread.yield();
System.out.println(test.inc);
}
}
|
在java 1.5的java.util.concurrent.atomic包下提供了一些原子操作類，即對基本數據類型的 自增（加1操作），自減（減1操作）、以及加法操作（加一個數），減法操作（減一個數）進行了封裝，保證這些操作是原子性操作。atomic是利用CAS來實現原子性操作的（Compare And Swap），CAS實際上是利用處理器提供的CMPXCHG指令實現的，而處理器執行CMPXCHG指令是一個原子性操作。
3.volatile能保證有序性嗎？
在前面提到volatile關鍵字能禁止指令重排序，所以volatile能在一定程度上保證有序性。
volatile關鍵字禁止指令重排序有兩層意思：
1）當程序執行到volatile變量的讀操作或者寫操作時，在其前面的操作的更改肯定全部已經進行，且結果已經對后面的操作可見；在其后面的操作肯定還沒有進行；
2）在進行指令優化時，不能將在對volatile變量訪問的語句放在其后面執行，也不能把volatile變量后面的語句放到其前面執行。
可能上面說的比較繞，舉個簡單的例子：
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//x、y為非volatile變量
//flag為volatile變量
x =
2
;
//語句1
y =
0
;
//語句2
flag =
true
;
//語句3
x =
4
;
//語句4
y = -
1
;
//語句5
|
由於flag變量為volatile變量，那么在進行指令重排序的過程的時候，不會將語句3放到語句1、語句2前面，也不會講語句3放到語句4、語句5后面。但是要注意語句1和語句2的順序、語句4和語句5的順序是不作任何保證的。
並且volatile關鍵字能保證，執行到語句3時，語句1和語句2必定是執行完畢了的，且語句1和語句2的執行結果對語句3、語句4、語句5是可見的。
那么我們回到前面舉的一個例子：
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//線程1:
context = loadContext();
//語句1
inited =
true
;
//語句2
//線程2:
while
(!inited ){
sleep()
}
doSomethingwithconfig(context);
|
前面舉這個例子的時候，提到有可能語句2會在語句1之前執行，那么久可能導致context還沒被初始化，而線程2中就使用未初始化的context去進行操作，導致程序出錯。
這里如果用volatile關鍵字對inited變量進行修飾，就不會出現這種問題了，因為當執行到語句2時，必定能保證context已經初始化完畢。
4.volatile的原理和實現機制
前面講述了源於volatile關鍵字的一些使用，下面我們來探討一下volatile到底如何保證可見性和禁止指令重排序的。
下面這段話摘自《深入理解Java虛擬機》：
“觀察加入volatile關鍵字和沒有加入volatile關鍵字時所生成的匯編代碼發現，加入volatile關鍵字時，會多出一個lock前綴指令”
lock前綴指令實際上相當於一個內存屏障（也成內存柵欄），內存屏障會提供3個功能：
1）它確保指令重排序時不會把其后面的指令排到內存屏障之前的位置，也不會把前面的指令排到內存屏障的后面；即在執行到內存屏障這句指令時，在它前面的操作已經全部完成；
2）它會強制將對緩存的修改操作立即寫入主存；
3）如果是寫操作，它會導致其他CPU中對應的緩存行無效。
使用volatile關鍵字的場景
synchronized關鍵字是防止多個線程同時執行一段代碼，那么就會很影響程序執行效率，而volatile關鍵字在某些情況下性能要優於synchronized，但是要注意volatile關鍵字是無法替代synchronized關鍵字的，因為volatile關鍵字無法保證操作的原子性。通常來說，使用volatile必須具備以下2個條件：
1）對變量的寫操作不依賴於當前值
2）該變量沒有包含在具有其他變量的不變式中
實際上，這些條件表明，可以被寫入 volatile 變量的這些有效值獨立於任何程序的狀態，包括變量的當前狀態。
事實上，我的理解就是上面的2個條件需要保證操作是原子性操作，才能保證使用volatile關鍵字的程序在並發時能夠正確執行。
下面列舉幾個Java中使用volatile的幾個場景。
1.狀態標記量
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volatile
boolean
flag =
false
;
while
(!flag){
doSomething();
}
public
void
setFlag() {
flag =
true
;
}
|
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1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
|
volatile
boolean
inited =
false
;
//線程1:
context = loadContext();
inited =
true
;
//線程2:
while
(!inited ){
sleep()
}
doSomethingwithconfig(context);
|
2.double check
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1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
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13
14
15
16
17
|
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;
}
}
|
至於為何需要這么寫請參考：
《Java 中的雙重檢查（Double-Check）》http://blog.csdn.net/dl88250/article/details/5439024
和http://www.iteye.com/topic/652440
參考資料：
《Java編程思想》
《深入理解Java虛擬機》
http://jiangzhengjun.iteye.com/blog/652532
http://blog.sina.com.cn/s/blog_7bee8dd50101fu8n.html
http://blog.csdn.net/ccit0519/article/details/11241403
http://blog.csdn.net/ns_code/article/details/17101369
http://www.cnblogs.com/kevinwu/archive/2012/05/02/2479464.html
http://www.cppblog.com/elva/archive/2011/01/21/139019.html
http://ifeve.com/volatile-array-visiblity/
http://www.bdqn.cn/news/201312/12579.shtml
http://exploer.blog.51cto.com/7123589/1193399
http://www.cnblogs.com/Mainz/p/3556430.html
轉自： http://www.importnew.com/18126.html