Java中volatile關鍵字的最全總結

一、簡介
volatile是Java提供的一種輕量級的同步機制。Java 語言包含兩種內在的同步機制：同步塊（或方法）和 volatile 變量，相比於synchronized（synchronized通常稱為重量級鎖），volatile更輕量級，因為它不會引起線程上下文的切換和調度。但是volatile 變量的同步性較差（有時它更簡單並且開銷更低），而且其使用也更容易出錯。
二、並發編程的3個基本概念
（1）原子性
     定義： 即一個操作或者多個操作 要么全部執行並且執行的過程不會被任何因素打斷，要么就都不執行。
    原子性是拒絕多線程操作的，不論是多核還是單核，具有原子性的量，同一時刻只能有一個線程來對它進行操作。簡而言之，在整個操作過程中不會被線程調度器中斷的操作，都可認為是原子性。例如 a=1是原子性操作，但是a++和a +=1就不是原子性操作。Java中的原子性操作包括：
     a. 基本類型的讀取和賦值操作，且賦值必須是數字賦值給變量，變量之間的相互賦值不是原子性操作。
     b.所有引用reference的賦值操作
     c.java.concurrent.Atomic.* 包中所有類的一切操作
 （2）可見性
    定義：指當多個線程訪問同一個變量時，一個線程修改了這個變量的值，其他線程能夠立即看得到修改的值。
    在多線程環境下，一個線程對共享變量的操作對其他線程是不可見的。Java提供了volatile來保證可見性，當一個變量被volatile修飾后，表示着線程本地內存無效，當一個線程修改共享變量后他會立即被更新到主內存中，其他線程讀取共享變量時，會直接從主內存中讀取。當然，synchronize和Lock都可以保證可見性。synchronized和Lock能保證同一時刻只有一個線程獲取鎖然后執行同步代碼，並且在釋放鎖之前會將對變量的修改刷新到主存當中。因此可以保證可見性。
  （3）有序性
     定義：即程序執行的順序按照代碼的先后順序執行。
     Java內存模型中的有序性可以總結為：如果在本線程內觀察，所有操作都是有序的；如果在一個線程中觀察另一個線程，所有操作都是無序的。前半句是指“線程內表現為串行語義”，后半句是指“指令重排序”現象和“工作內存主主內存同步延遲”現象。
     在Java內存模型中，為了效率是允許編譯器和處理器對指令進行重排序，當然重排序不會影響單線程的運行結果，但是對多線程會有影響。Java提供volatile來保證一定的有序性。最著名的例子就是單例模式里面的DCL（雙重檢查鎖）。另外，可以通過synchronized和Lock來保證有序性，synchronized和Lock保證每個時刻是有一個線程執行同步代碼，相當於是讓線程順序執行同步代碼，自然就保證了有序性。
三、鎖的互斥和可見性
鎖提供了兩種主要特性：互斥（mutual exclusion） 和可見性（visibility）。
（1）互斥即一次只允許一個線程持有某個特定的鎖，一次就只有一個線程能夠使用該共享數據。
（2）可見性要更加復雜一些，它必須確保釋放鎖之前對共享數據做出的更改對於隨后獲得該鎖的另一個線程是可見的。也即當一條線程修改了共享變量的值，新值對於其他線程來說是可以立即得知的。如果沒有同步機制提供的這種可見性保證，線程看到的共享變量可能是修改前的值或不一致的值，這將引發許多嚴重問題。要使 volatile 變量提供理想的線程安全，必須同時滿足下面兩個條件：
        a.對變量的寫操作不依賴於當前值。
        b.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。事實上就是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。
四、Java的內存模型JMM以及共享變量的可見性
      JMM決定一個線程對共享變量的寫入何時對另一個線程可見，JMM定義了線程和主內存之間的抽象關系：共享變量存儲在主內存(Main Memory)中，每個線程都有一個私有的本地內存（Local Memory），本地內存保存了被該線程使用到的主內存的副本拷貝，線程對變量的所有操作都必須在工作內存中進行，而不能直接讀寫主內存中的變量。

      對於普通的共享變量來講，線程A將其修改為某個值發生在線程A的本地內存中，此時還未同步到主內存中去；而線程B已經緩存了該變量的舊值，所以就導致了共享變量值的不一致。解決這種共享變量在多線程模型中的不可見性問題，較粗暴的方式自然就是加鎖，但是此處使用synchronized或者Lock這些方式太重量級了，比較合理的方式其實就是volatile。
      需要注意的是，JMM是個抽象的內存模型，所以所謂的本地內存，主內存都是抽象概念，並不一定就真實的對應cpu緩存和物理內存
五、volatile變量的特性
  （1）保證可見性，不保證原子性
     a.當寫一個volatile變量時，JMM會把該線程本地內存中的變量強制刷新到主內存中去；
     b.這個寫會操作會導致其他線程中的緩存無效。
   （2）禁止指令重排
     重排序是指編譯器和處理器為了優化程序性能而對指令序列進行排序的一種手段。重排序需要遵守一定規則：
　 a.重排序操作不會對存在數據依賴關系的操作進行重排序。
　       比如：a=1;b=a; 這個指令序列，由於第二個操作依賴於第一個操作，所以在編譯時和處理器運
     行時這兩個操作不會被重排序。
    b.重排序是為了優化性能，但是不管怎么重排序，單線程下程序的執行結果不能被改變
　     比如：a=1;b=2;c=a+b這三個操作，第一步（a=1)和第二步(b=2)由於不存在數據依賴關系， 所以可能會發
    生重排序，但是c=a+b這個操作是不會被重排序的，因為需要保證最終的結果一定是c=a+b=3。
     
    重排序在單線程下一定能保證結果的正確性，但是在多線程環境下，可能發生重排序，影響結果，下例中的1和2由於不存在數據依賴關系，則有可能會被重排序，先執行status=true再執行a=2。而此時線程B會順利到達4處，而線程A中a=2這個操作還未被執行，所以b=a+1的結果也有可能依然等於2。
   使用volatile關鍵字修飾共享變量便可以禁止這種重排序。若用volatile修飾共享變量，在編譯時，會在指令序列中插入內存屏障來禁止特定類型的處理器重排序,volatile禁止指令重排序也有一些規則：
   a.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；
   b.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。
    即執行到volatile變量時，其前面的所有語句都執行完，后面所有語句都未執行。且前面語句的結果對volatile變
    量及其后面語句可見。
六、volatile不適用的場景
（1）volatile不適合復合操作
例如，inc++不是一個原子性操作，可以由讀取、加、賦值3步組成，所以結果並不能達到30000。.
（2）解決方法
   1.采用synchronized
   2.采用Lock
   3.采用java並發包中的原子操作類，原子操作類是通過CAS循環的方式來保證其原子性的
七、volatile原理
volatile可以保證線程可見性且提供了一定的有序性，但是無法保證原子性。在JVM底層volatile是采用“內存屏障”來實現的。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：
    I. 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；
    II. 它會強制將對緩存的修改操作立即寫入主存；
    III. 如果是寫操作，它會導致其他CPU中對應的緩存行無效。
八、單例模式的雙重鎖為什么要加volatile
  需要volatile關鍵字的原因是，在並發情況下，如果沒有volatile關鍵字，在第5行會出現問題。instance = new TestInstance();可以分解為3行偽代碼
   1.memory = allocate()   //分配內存
   2. ctorInstanc(memory)   //初始化對象
   3. instance = memory  //設置instance指向剛分配的地址
上面的代碼在編譯運行時，可能會出現重排序從1-2-3排序為1-3-2。在多線程的情況下會出現以下問題。線程A在執行第5行代碼時，B線程進來，而此時A執行了1和3，沒有執行2，此時B線程判斷instance不為null，直接返回一個未初始化的對象。
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作者：老鼠只愛大米
來源：CSDN
原文：https://blog.csdn.net/u012723673/article/details/80682208
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