volatile关键字

概念

volatile 是 Java 虚拟机提供的轻量级的同步机制，保证可见性，禁止指令重排，不保证原子性

• 保证可见性

public class VolatileDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Data data = new Data();
        new Thread(() -> {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " coming...");
            try {
                Thread.sleep(3000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            data.addOne();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " updated...");
        }).start();

        while (data.a == 0) {
            // looping
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " job is done...");
    }
}

class Data {
    // int a = 0;
    volatile int a = 0;
    void addOne() {
        this.a += 1;
    }
}

　　如果不加 volatile 关键字，则主线程会进入死循环，加 volatile 则主线程能够退出，说明加了 volatile 关键字变量，当有一个线程修改了值，会马上被另一个线程感知到，当前值作废，重新从主内存中获取值。对其他线程可见，保证可见性

• 禁止指令排序

volatile 实现禁止指令重排序的优化，从而避免了多线程环境下程序出现乱序的现象

先了解一个概念，内存屏障（Memory Barrier）又称内存栅栏，是一个 CPU 指令，他的作用有两个：

• • • 保证特定操作的执行顺序
    • 保证某些变量的内存可见性（利用该特性实现 volatile 的内存可见性）

由于编译器个处理器都能执行指令重排序优化，如果在指令间插入一条 Memory Barrier 则会告诉编译器和 CPU，不管什么指令都不能个这条 Memory Barrier 指令重排序，也就是说通过插入内存屏障禁止在内存屏障前后执行重排序优化。内存屏障另一个作用是强制刷出各种 CPU 缓存数据，因此任何 CPU 上的线程都能读取到这些数据的最新版本。

下面是保守策略下，volatile写插入内存屏障后生成的指令序列示意图：

 下面是在保守策略下，volatile读插入内存屏障后生成的指令序列示意图：

 

• 不保证原子性

public class VolatileDemo {
    public static void main(String[] args) {
       // test01();
       test02();
    }

    // 测试原子性
    private static void test02() {
        Data data = new Data();
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                    data.addOne();
                }
            }).start();
        }
        // 默认有 main 线程和 gc 线程
        while (Thread.activeCount() > 2) {
            Thread.yield();
        }
        System.out.println(data.a);
    }
}

class Data {
    volatile int a = 0;
    void addOne() {
        this.a += 1;
    }
}

　　发现并不能输入 20000

线程安全性保证

• 工作内存与主内存同步延迟现象导致可见性问题
  • 可以使用 synchronzied 或 volatile 关键字解决，它们可以使用一个线程修改后的变量立即对其他线程可见
• 对于指令重排导致可见性问题和有序性问题
  • 可以利用 volatile 关键字解决，因为 volatile 的另一个作用就是禁止指令重排序优化

使用场景

　　单例模式

/**
 * 发现构造器里的内容会多次输出
 */
public class Singleton01 {
    private static Singleton01 instance = null;
    private Singleton01() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "  construction...");
    }
    public static Singleton01 getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton01();
        }
        return instance;
    }

    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10);
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            executorService.execute(()-> Singleton01.getInstance());
        }
        executorService.shutdown();
    }
}

　　双重锁单例

/**
 * 如果没有加 volatile 就不一定是线程安全的，原因是指令重排序的存在，某一个线程执行到第一次检测，读取到的 instance 不为 null 时，instance 的引用对象可能还没有完成初始化，加入 volatile 可以禁止指令重排。
 */
public class Singleton02 {
    private static volatile Singleton02 instance = null;
    private Singleton02() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "  construction...");
    }
    public static Singleton02 getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton01.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton02();
                }
            }
        }
        return instance;
    }

    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10);
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            executorService.execute(()-> Singleton02.getInstance());
        }
        executorService.shutdown();
    }
}

// instance = new Singleton() 可以分为以下三步完成
memory = allocate();  // 1.分配对象空间
instance(memory);     // 2.初始化对象
instance = memory;    // 3.设置instance指向刚分配的内存地址，此时instance != null

// 步骤 2 和步骤 3 不存在依赖关系，而且无论重排前还是重排后程序的执行结果在单线程中并没有改变，因此这种优化是允许的

// 发生重排
memory = allocate();  // 1.分配对象空间
instance = memory;    // 3.设置instance指向刚分配的内存地址，此时instance != null，但对象还没有初始化完成
instance(memory);     // 2.初始化对象

//所以不加 volatile 返回的实例不为空，但可能是未初始化的实例