1.volatile关键字的两层语义
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：
1）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。
2）禁止进行指令重排序。
先看一段代码，假如线程1先执行，线程2后执行：
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//线程1
boolean
stop =
false
;
while
(!stop){
doSomething();
}
//线程2
stop =
true
;
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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）。
下面解释一下这段代码为何有可能导致无法中断线程。在前面已经解释过，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。
但是用volatile修饰之后就变得不一样了：
第一：使用volatile关键字会强制将修改的值立即写入主存；
第二：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的缓存行无效（反映到硬件层的话，就是CPU的L1或者L2缓存中对应的缓存行无效）；
第三：由于线程1的工作内存中缓存变量stop的缓存行无效，所以线程1再次读取变量stop的值时会去主存读取。
那么在线程2修改stop值时（当然这里包括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的缓存行无效，然后线程1读取时，发现自己的缓存行无效，它会等待缓存行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。
2.volatile保证原子性吗？
从上面知道volatile关键字保证了操作的可见性，但是volatile能保证对变量的操作是原子性吗？
下面看一个例子：
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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
)
//保证前面的线程都执行完
Thread.yield();
System.out.println(test.inc);
}
}
|
大家想一下这段程序的输出结果是多少？也许有些朋友认为是10000。但是事实上运行它会发现每次运行结果都不一致，都是一个小于10000的数字。
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。
这里面就有一个误区了，volatile关键字能保证可见性没有错，但是上面的程序错在没能保证原子性。可见性只能保证每次读取的是最新的值，但是volatile没办法保证对变量的操作的原子性。
在前面已经提到过，自增操作是不具备原子性的，它包括读取变量的原始值、进行加1操作、写入工作内存。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，
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的缓存行无效，所以线程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只增加了1。使用表格描述上述过程：
| inc自增操作步骤 | 线程1 | 线程2 |
| 读取inc | 1 | 3 |
| inc加1操作 | 2 | 4 |
| inc写入内存 | 6 | 5 |
按照1-6步骤执行的话，两个线程对inc加1之后，inc的值还是1。
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，会让缓存行无效吗？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。但是，上面一个例子对stop变量的修改是原子性的。
把上面的代码改成以下任何一种都可以达到效果：
采用synchronized (对inc++自增操作使用synchronized修饰，保证自增操作的原子性)：
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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
)
//保证前面的线程都执行完
Thread.yield();
System.out.println(test.inc);
}
}
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采用Lock (对自增操作进行加锁)：
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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
)
//保证前面的线程都执行完
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
)
//保证前面的线程都执行完
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类，即对基本数据类型的 自增（加1操作），自减（减1操作）、以及加法操作（加一个数），减法操作（减一个数）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。
3.volatile能保证有序性吗？
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：
1）当程序执行到volatile变量的读操作或者写操作时，在其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；在其后面的操作肯定还没有进行；
2）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。
可能上面说的比较绕，举个简单的例子：
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//x、y为非volatile变量
//flag为volatile变量
x =
2
;
//语句1
y =
0
;
//语句2
flag =
true
;
//语句3
x =
4
;
//语句4
y = -
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，也不会讲语句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。
那么我们回到前面举的一个例子：
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//线程1:
context = loadContext();
//语句1
inited =
true
;
//语句2
//线程2:
while
(!inited ){
sleep()
}
doSomethingwithconfig(context);
|
前面举这个例子的时候，提到有可能语句2会在语句1之前执行，那么久可能导致context还没被初始化，而线程2中就使用未初始化的context去进行操作，导致程序出错。
这里如果用volatile关键字对inited变量进行修饰，就不会出现这种问题了，因为当执行到语句2时，必定能保证context已经初始化完毕。
4.volatile的原理和实现机制
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：
1）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；
2）它会强制将对缓存的修改操作立即写入主存；
3）如果是写操作，它会导致其他CPU中对应的缓存行无效。
使用volatile关键字的场景
synchronized关键字是防止多个线程同时执行一段代码，那么就会很影响程序执行效率，而volatile关键字在某些情况下性能要优于synchronized，但是要注意volatile关键字是无法替代synchronized关键字的，因为volatile关键字无法保证操作的原子性。通常来说，使用volatile必须具备以下2个条件：
1）对变量的写操作不依赖于当前值
2）该变量没有包含在具有其他变量的不变式中
实际上，这些条件表明，可以被写入 volatile 变量的这些有效值独立于任何程序的状态，包括变量的当前状态。
事实上，我的理解就是上面的2个条件需要保证操作是原子性操作，才能保证使用volatile关键字的程序在并发时能够正确执行。
下面列举几个Java中使用volatile的几个场景。
1.状态标记量
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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
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volatile
boolean
inited =
false
;
//线程1:
context = loadContext();
inited =
true
;
//线程2:
while
(!inited ){
sleep()
}
doSomethingwithconfig(context);
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2.double check
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9
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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;
}
}
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至于为何需要这么写请参考：
《Java 中的双重检查（Double-Check）》http://blog.csdn.net/dl88250/article/details/5439024
和http://www.iteye.com/topic/652440
参考资料：
《Java编程思想》
《深入理解Java虚拟机》
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
转自： http://www.importnew.com/18126.html
