详解volatile的使用及其原理分析

一、volatile的作用

　　在《Java并发编程：核心理论》一文中，我们已经提到过可见性、有序性及原子性问题，通常情况下我们可以通过Synchronized关键字来解决这些个问题，不过如果对Synchronized原理有了解的话，应该知道Synchronized是一个比较重量级的操作，对系统的性能有比较大的影响，所以，如果有其他解决方案，我们通常都避免使用Synchronized来解决问题。而volatile关键字就是Java中提供的另一种解决可见性和有序性问题的方案。对于原子性，需要强调一点，也是大家容易误解的一点：对volatile变量的单次读/写操作可以保证原子性的，如long和double类型变量，但是并不能保证i++这种操作的原子性，因为本质上i++是读、写两次操作。

二、volatile的使用

　　关于volatile的使用，我们可以通过几个例子来说明其使用方式和场景。

1、防止重排序

　　我们从一个最经典的例子来分析重排序问题。大家应该都很熟悉单例模式的实现，而在并发环境下的单例实现方式，我们通常可以采用双重检查加锁（DCL）的方式来实现。其源码如下：

 1 package com.paddx.test.concurrent;
 2 
 3 public class Singleton {
 4     public static volatile Singleton singleton;
 5 
 6     /**
 7      * 构造函数私有，禁止外部实例化
 8      */
 9     private Singleton() {};
10 
11     public static Singleton getInstance() {
12         if (singleton == null) {
13             synchronized (singleton) {
14                 if (singleton == null) {
15                     singleton = new Singleton();
16                 }
17             }
18         }
19         return singleton;
20     }
21 }

　　现在我们分析一下为什么要在变量singleton之间加上volatile关键字。要理解这个问题，先要了解对象的构造过程，实例化一个对象其实可以分为三个步骤：

　　（1）分配内存空间。

　　（2）初始化对象。

　　（3）将内存空间的地址赋值给对应的引用。

但是由于操作系统可以对指令进行重排序，所以上面的过程也可能会变成如下过程：

　　（1）分配内存空间。

　　（2）将内存空间的地址赋值给对应的引用。

　　（3）初始化对象

　　如果是这个流程，多线程环境下就可能将一个未初始化的对象引用暴露出来，从而导致不可预料的结果。因此，为了防止这个过程的重排序，我们需要将变量设置为volatile类型的变量。

2、实现可见性

　　可见性问题主要指一个线程修改了共享变量值，而另一个线程却看不到。引起可见性问题的主要原因是每个线程拥有自己的一个高速缓存区——线程工作内存。volatile关键字能有效的解决这个问题，我们看下下面的例子，就可以知道其作用：

 1 package com.paddx.test.concurrent;
 2 
 3 public class VolatileTest {
 4     int a = 1;
 5     int b = 2;
 6 
 7     public void change(){
 8         a = 3;
 9         b = a;
10     }
11 
12     public void print(){
13         System.out.println("b="+b+";a="+a);
14     }
15 
16     public static void main(String[] args) {
17         while (true){
18             final VolatileTest test = new VolatileTest();
19             new Thread(new Runnable() {
20                 @Override
21                 public void run() {
22                     try {
23                         Thread.sleep(10);
24                     } catch (InterruptedException e) {
25                         e.printStackTrace();
26                     }
27                     test.change();
28                 }
29             }).start();
30 
31             new Thread(new Runnable() {
32                 @Override
33                 public void run() {
34                     try {
35                         Thread.sleep(10);
36                     } catch (InterruptedException e) {
37                         e.printStackTrace();
38                     }
39                     test.print();
40                 }
41             }).start();
42 
43         }
44     }
45 }

　　直观上说，这段代码的结果只可能有两种：b=3;a=3 或 b=2;a=1。不过运行上面的代码（可能时间上要长一点），你会发现除了上两种结果之外，还出现了第三种结果：

...... 
b=2;a=1
b=2;a=1
b=3;a=3
b=3;a=3
b=3;a=1
b=3;a=3
b=2;a=1
b=3;a=3
b=3;a=3
......

　　为什么会出现b=3;a=1这种结果呢？正常情况下，如果先执行change方法，再执行print方法，输出结果应该为b=3;a=3。相反，如果先执行的print方法，再执行change方法，结果应该是 b=2;a=1。那b=3;a=1的结果是怎么出来的？原因就是第一个线程将值a=3修改后，但是对第二个线程是不可见的，所以才出现这一结果。如果将a和b都改成volatile类型的变量再执行，则再也不会出现b=3;a=1的结果了。

3、保证原子性

 　　关于原子性的问题，上面已经解释过。volatile只能保证对单次读/写的原子性。这个问题可以看下JLS中的描述：

　　这段话的内容跟我前面的描述内容大致类似。因为long和double两种数据类型的操作可分为高32位和低32位两部分，因此普通的long或double类型读/写可能不是原子的。因此，鼓励大家将共享的long和double变量设置为volatile类型，这样能保证任何情况下对long和double的单次读/写操作都具有原子性。

　　关于volatile变量对原子性保证，有一个问题容易被误解。现在我们就通过下列程序来演示一下这个问题：

 1 package com.paddx.test.concurrent;
 2 
 3 public class VolatileTest01 {
 4     volatile int i;
 5 
 6     public void addI(){
 7         i++;
 8     }
 9 
10     public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
11         final  VolatileTest01 test01 = new VolatileTest01();
12         for (int n = 0; n < 1000; n++) {
13             new Thread(new Runnable() {
14                 @Override
15                 public void run() {
16                     try {
17                         Thread.sleep(10);
18                     } catch (InterruptedException e) {
19                         e.printStackTrace();
20                     }
21                     test01.addI();
22                 }
23             }).start();
24         }
25 
26         Thread.sleep(10000);//等待10秒，保证上面程序执行完成
27 
28         System.out.println(test01.i);
29     }
30 }

大家可能会误认为对变量i加上关键字volatile后，这段程序就是线程安全的。大家可以尝试运行上面的程序。下面是我本地运行的结果：

　　可能每个人运行的结果不相同。不过应该能看出，volatile是无法保证原子性的（否则结果应该是1000）。原因也很简单，i++其实是一个复合操作，包括三步骤：

　　（1）读取i的值。

　　（2）对i加1。

　　（3）将i的值写回内存。

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volatile是无法保证这三个操作是具有原子性的，我们可以通过AtomicInteger或者Synchronized来保证+1操作的原子性。

注：上面几段代码中多处执行了Thread.sleep()方法，目的是为了增加并发问题的产生几率，无其他作用。

三、volatile的原理

　　通过上面的例子，我们基本应该知道了volatile是什么以及怎么使用。现在我们再来看看volatile的底层是怎么实现的。

　　1、可见性实现：

　　在前文中已经提及过，线程本身并不直接与主内存进行数据的交互，而是通过线程的工作内存来完成相应的操作。这也是导致线程间数据不可见的本质原因。因此要实现volatile变量的可见性，直接从这方面入手即可。对volatile变量的写操作与普通变量的主要区别有两点：

　　（1）修改volatile变量时会强制将修改后的值刷新的主内存中。

　　（2）修改volatile变量后会导致其他线程工作内存中对应的变量值失效。因此，再读取该变量值的时候就需要重新从读取主内存中的值。

　　通过这两个操作，就可以解决volatile变量的可见性问题。

　　2、有序性实现：

 　　在解释这个问题前，我们先来了解一下Java中的happen-before规则，JSR 133中对Happen-before的定义如下：

Two actions can be ordered by a happens-before relationship.If one action happens before another, then the first is visible to and ordered before the second.

　　通俗一点说就是如果a happen-before b，则a所做的任何操作对b是可见的。（这一点大家务必记住，因为happen-before这个词容易被误解为是时间的前后）。我们再来看看JSR 133中定义了哪些happen-before规则：

• Each action in a thread happens before every subsequent action in that thread. 
• An unlock on a monitor happens before every subsequent lock on that monitor. 
• A write to a volatile field happens before every subsequent read of that volatile. 
• A call to start() on a thread happens before any actions in the started thread. 
• All actions in a thread happen before any other thread successfully returns from a join() on that thread. 
• If an action a happens before an action b, and b happens before an action c, then a happens before c.

　　翻译过来为：

• 同一个线程中的，前面的操作 happen-before 后续的操作。（即单线程内按代码顺序执行。但是，在不影响在单线程环境执行结果的前提下，编译器和处理器可以进行重排序，这是合法的。换句话说，这一是规则无法保证编译重排和指令重排）。

• 监视器上的解锁操作 happen-before 其后续的加锁操作。（Synchronized 规则）

• 对volatile变量的写操作 happen-before 后续的读操作。（volatile 规则）

• 线程的start() 方法 happen-before 该线程所有的后续操作。（线程启动规则）

• 线程所有的操作 happen-before 其他线程在该线程上调用 join 返回成功后的操作。

• 如果 a happen-before b，b happen-before c，则a happen-before c（传递性）。

　　这里我们主要看下第三条：volatile变量的保证有序性的规则。《Java并发编程：核心理论》一文中提到过重排序分为编译器重排序和处理器重排序。为了实现volatile内存语义，JMM会对volatile变量限制这两种类型的重排序。下面是JMM针对volatile变量所规定的重排序规则表：

　　3、内存屏障

　　为了实现volatile可见性和happen-befor的语义。JVM底层是通过一个叫做“内存屏障”的东西来完成。内存屏障，也叫做内存栅栏，是一组处理器指令，用于实现对内存操作的顺序限制。下面是完成上述规则所要求的内存屏障：

（1）LoadLoad 屏障
执行顺序：Load1—>Loadload—>Load2
确保Load2及后续Load指令加载数据之前能访问到Load1加载的数据。

（2）StoreStore 屏障
执行顺序：Store1—>StoreStore—>Store2
确保Store2以及后续Store指令执行前，Store1操作的数据对其它处理器可见。

（3）LoadStore 屏障
执行顺序： Load1—>LoadStore—>Store2
确保Store2和后续Store指令执行前，可以访问到Load1加载的数据。

（4）StoreLoad 屏障
执行顺序: Store1—> StoreLoad—>Load2
确保Load2和后续的Load指令读取之前，Store1的数据对其他处理器是可见的。

最后我可以通过一个实例来说明一下JVM中是如何插入内存屏障的：

 1 package com.paddx.test.concurrent;
 2 
 3 public class MemoryBarrier {
 4     int a, b;
 5     volatile int v, u;
 6 
 7     void f() {
 8         int i, j;
 9 
10         i = a;
11         j = b;
12         i = v;
13         //LoadLoad
14         j = u;
15         //LoadStore
16         a = i;
17         b = j;
18         //StoreStore
19         v = i;
20         //StoreStore
21         u = j;
22         //StoreLoad
23         i = u;
24         //LoadLoad
25         //LoadStore
26         j = b;
27         a = i;
28     }
29 }

四、总结

　　总体上来说volatile的理解还是比较困难的，如果不是特别理解，也不用急，完全理解需要一个过程，在后续的文章中也还会多次看到volatile的使用场景。这里暂且对volatile的基础知识和原来有一个基本的了解。总体来说，volatile是并发编程中的一种优化，在某些场景下可以代替Synchronized。但是，volatile的不能完全取代Synchronized的位置，只有在一些特殊的场景下，才能适用volatile。总的来说，必须同时满足下面两个条件才能保证在并发环境的线程安全：

　　（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。