大家好，我是悟空。最近看了Eureka的源码，发现很多地方都用到了volatile，那就复习一下吧。这篇文章全面讲解了volatile的用法和细节。建议阅读前收藏转发。1.Volatile怎么读？看到这个词，一直不知道怎么念。英语[?v?l?ta?l]美式[?vɑ?l?tl]adj.[化学]易挥发；不稳定；爆炸物；任性。Java中的volatile有什么作用？怎么样？二、Java中的volatile有什么用？Volatile是Java虚拟机提供的轻量级同步机制（三大特性）。保证可见性，不保证原子性，禁止指令重排。要了解三大特性，就必须知道Java内存模型（JMM），什么是JMM？三、什么是JMM？这是一份精心总结的Java内存模型思维导图，感谢您的收下。示意图1-Java内存模型3.1为什么需要Java内存模型？Why：屏蔽各种硬件和操作系统的内存访问差异JMM即Java内存模型，即JavaMemoryModel，简称JMM，它本身是一个抽象的概念。事实上，它并不存在。它描述了一组规则或规范，通过这些规则或规范定义了程序中各种变量（包括实例字段、静态字段和构成数组对象的元素）的访问方法。3.2Java内存模型到底是什么？1.定义程序中各种变量的访问规则2.在内存中存储变量值的底层细节3.从内存中取出变量值的底层细节3.3Java内存模型的两大内存是什么？示意图2-两大内存主内存Java堆的对象实例数据部分对应物理硬件的内存工作内存的Java栈中的一些区域优先存放在寄存器和缓存中3.4Java内存模型是怎样的工作？Java内存模型的几个规范：1.所有变量都存储在主存中2.主存是虚拟机内存的一部分3.每个线程都有自己的工作内存4.线程的工作内存持有一份变量的主内存5.线程对变量的操作必须在工作内存中进行。6.不同线程之间不能直接访问对方工作内存中的变量。7、线程间变量值的传递需要通过主存完成。当一个线程被创建时，JVM会为它创建一个工作内存（有些地方称为堆栈空间）。工作内存是每个线程的私有数据区，Java内存模型规定所有变量都存放在主内存中，主内存是共享的。内存区可以被所有线程访问，但是线程对变量的操作（读赋值等）必须在工作内存中进行。首先，必须将变量从主存复制到自己的工作内存空间，然后对变量进行操作。完成后将变量写入主存，不能直接操作主存中的变量。每个线程的工作内存都保存了主内存中变量的副本，所以不同的线程不能互相访问对方的工作内存。通信（传值）必须通过主存，其访问过程简述：示意图3-Java内存模型3.5Java内存模型的三大特点可见性（当一个线程修改一个共享变量的值时，其他线程可以立即知道这个修改）原子性（一个操作或一系列操作是不可分割的，要么同时成功，要么同时失败）有序性（变量赋值操作的顺序与线程中的执行顺序一致程序代码）关于有序性：如果在本线程中观察，所有操作都是有序的；如果在一个线程中观察另一个线程，则所有操作都是无序的。前半句指的是“Within-ThreadAs-If-SerialSemantics”（线程内As-If-SerialSemantics），后半句指的是“指令重排序”和“同步”现象工作记忆和主记忆之间的延迟”。4.能否举例说明如何使用volatile？考虑这样的场景：有一个对象，字段number初始化值=0，这个对象有一个public方法setNumberTo100()可以设置number=100。当主线程通过子线程调用setNumberTo100()后，是否主线程知道数字值改变了吗？答：如果number变量没有用volatile定义，主线程不知道子线程更新了number的值。(1)如上所述定义对象：ShareDataclassShareData{intnumber=0;publicvoidsetNumberTo100(){this.number=100;}}(2)在主线程中初始化一个子线程，命名为sub-thread子线程先休眠3s，然后设置number=100。主线程不断检查number值是否等于0，如果不等于，则退出主线程。publicclassvolatileVisibility{publicstaticvoidmain(String[]args){//资源类ShareDatashareData=newShareData();//子线程实现Runnable接口，lambda表达式newThread(()->{System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\tcomein");//线程休眠3秒，假设正在执行一个操作try{TimeUnit.SECONDS.sleep(3);}catch(InterruptedExceptione){e.printStackTrace();}//修改number的值myData.setNumberTo100();//输出修改后的值System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\tupdatenumbervalue:"+myData.number);},"childthread").start();while(myData.number==0){//主线程一直在这里等待循环，直到number的值不等于0}//这个值是合理的打印不出来，因为主线程运行的时候，number的值为0，所以一直循环//如果能输出这句话，说明子线程休眠3秒后，更新的number的值被重写到主存，被主线程感知System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t主线程感知到number不等于0");/***最终输出：*sub-threadcomein*sub-threadupdatenumbervalue:100*final线程没有停止，并没有并行输出“主线程知道number不等于0”这句话，说明即没有使用volatile修饰的变量，变量的更新是不可见的*/}}不使用volatile(3)我们使用volatile修饰变量numberclassShareData{//volatile修饰的关键字是为了增加多线程之间的可见性，只要一个线程修改内存中的值，其他线程可以立即感知到volatileintnumber=0；publicvoidsetNumberTo100(){this.number=100;}}输出结果：sub-threadcomeinsub-threadupdatenumbervalue:100mainmainthreadknowsthatnumberisnotequalto0Processfinishedwithexitcode0mark"总结：说明用volatile修饰的变量，当一个线程更新该变量，其他线程也可以感知它。”五、为什么其他线程能感知到变量更新？实际上，这里使用的是“窥探”协议。在说“窥探”协议之前，我们先说说缓存一致性。5.1缓存一致性当多个CPU持有的缓存来自同一个主存副本，当其他CPU偷偷更改主存数据时，其他CPU不知道，复制的内存就会与主存不一致，这就是缓存不一致.那么我们如何保证缓存的一致性呢？这里需要操作系统共同制定一个同步规则来保证，这个规则有MESI协议。如下图，CPU2偷偷把num改成了2，内存中的num也改成了2，但是CPU1和CPU3并不知道num的值变了。SchematicFigure4-CacheConsistency15.2MESI当CPU写入数据时，如果发现被操作的变量是共享变量，即在其他CPU中有该变量的副本，系统会发送信号通知其他CPU内存变量的缓存行的CPU设置为无效。如下图，CPU1和CPU3中num=1无效。SchematicFigure5-CacheConsistency2当其他CPU读取这个变量，发现缓存这个变量的cacheline无效时，会重新从内存中读取。如下图，当CPU1和CPU3发现缓存的num值无效时，再次从内存中读取，num值更新为2。示意图6-缓存一致性35.3总线嗅探其他CPU如何知道更新缓存无效？下面介绍总线嗅探技术。每个CPU不断地嗅探总线上传输的数据，以检查其缓存值是否已过期。如果处理器发现自己的缓存行对应的内存地址被修改，就会将当前处理器的缓存行置为无效状态。当处理器修改数据时，它会重新从内存中读取数据到处理器缓存中。示意图7-CacheConsistency45.4BusStorm总线嗅探技术有哪些缺点？由于MESI缓存一致性协议，需要不断的对主线进行内存嗅探，大量的交互会导致总线带宽达到峰值。所以不要滥用volatile，可以改用锁，看场景~六、能不能演示一下为什么volatile不保证原子性？原子性：一个操作或一系列操作是不可分割的，要么同时成功，要么同时失败。“这个定义和volatile有什么关系？我完全看不懂？给我看代码！”考虑这样一个场景：20个线程同时将number加1，执行1000次，number的值是多少？在单线程场景下，答案是20,000。如果是多线程场景呢？答案可能是20,000，但在很多情况下小于20,000。示例代码：packagecom.jackson0714.passjava.threads;/**volatile不保证原子性的演示*@create:2020-08-1309:53*/publicclassVolatileAtomicity{publicstaticvolatileintnumber=0;publicstaticvoidincrease(){number++;}publicstaticvoidmain(String[]args){for(inti=0;i<50;i++){newThread(()->{for(intj=0;j<1000;j++){increase();}},String.valueOf(i)).start();}//当所有累计线程结束while(Thread.activeCount()>2){Thread.yield();}System.out.println(number);}}执行结果：第一个时间19144，第二次20000，第三次19378。volatile的第一次执行结果volatile的第二次执行结果volatile的第三次执行结果我们来分析increase()方法，通过反编译工具javap得到如下汇编代码：publicstaticvoidincrease();Code:0:getstatic#2//fieldnumber:I3:iconst_14:iadd5:putstatic#2//fieldnumber:I8:returnnumber++实际执行了3条指令：getstatic：取number的原值iadd：加1操作putfield：写回加1后的值，执行时getstatic指令number的值被取到操作栈顶，volatile关键字保证此时number的值是正确的，但是在执行iconst_1和iadd指令时，其他线程可能已经改变了number的值，而操作栈顶的值就变成了过期数据，所以执行完putstatic指令后可能会将较小的数值同步回主存。总结如下：在执行number++这行代码时，即使number变量被volatile修饰，在执行过程中仍然有可能被其他线程修改，不保证原子性。7、如何保证输出结果为20000？7.1synchronized同步代码块我们可以通过使用synchronized同步代码块来保证原子性。使得结果等于20000publicsynchronizedstaticvoidincrease(){number++;}synchronized同步代码块的执行结果但是使用synchronized太重了，会造成阻塞，只能有一个线程进入这个方法。我们可以使用JavaConcurrencyPackage(JUC)中的AtomicInterger工具包。7.2AtomicInterger原子操作下面看一下AtomicInterger原子自增方法getAndIncrement()AtomicIntergerpublicstaticAtomicIntegeratomicInteger=newAtomicInteger();publicstaticvoidmain(String[]args){for(inti=0;i<20;i++){newThread(()->{for(intj=0;j<1000;j++){atomicInteger.getAndIncrement();}},String.valueOf(i)).start();}//当所有累积线程结束while(Thread.activeCount()>2){Thread.yield();}System.out.println(atomicInteger);}多次运行结果为20000getAndIncrement的执行结果8.什么是禁止指令重排？说到指令重排，大家一定知道为什么要重排，有哪些重排。如下图所示，指令执行顺序为1>2>3>4。重排后，执行顺序更新为指令3->4->2->1。Schematic8-Instructionrearrangement，你会不会觉得指令的顺序被重排打乱了，这样好吗？大家可以回忆一下小学的数学题：2+3-5=?，如果把运算顺序换成3-5+2=?，结果是一样的。因此，指令重排是为了保证单线程下程序结果不变。8.1为什么我们需要重新排序？当计算机执行程序时，为了提高性能，编译器和处理器经常对指令进行重新排序。8.2重排有哪几种？1.编译器优化重排：编译器可以在不改变单线程程序语义的情况下，重新排列语句的执行顺序。2、指令级并行重排：现代处理器采用指令级并行技术，将多条指令重叠执行。如果没有数据依赖，处理器可以改变语句对应机器指令的执行顺序。3.内存系统的重新排序：由于处理器使用高速缓存和读/写缓冲区，这使得加载和存储操作看起来是乱序执行的。示意图9-三种重排注意：在单线程环境下，保证最终的执行结果与代码序列的结果一致。当处理器进行重新排序时，它必须考虑指令之间的数据依赖性。在多线程环境中，线程是交替执行的。由于编译器优化重排的存在，两个线程中使用的变量是否能保证一致性是不确定的，结果也是不可预测的。8.3比如说说多线程中的指令重排？想象这样一个场景：定义了变量num=0和变量flag=false，线程1调用初始化函数init()执行后，线程调用add()方法，当另一个线程判断flag=true并执行num+100操作，那么我们的预期结果是num会等于101，但是因为有可能指令重排，num=1和flag=true的执行顺序可能会颠倒，所以至于num可能等于100publicclassVolatileResort{staticintnum=0;staticbooleanflag=false;publicstaticvoidinit(){num=1;flag=true;}publicstaticvoidadd(){if(flag){num=num+5;System.out.println("num:"+num);}}publicstaticvoidmain(String[]args){init();newThread(()->{add();},"子线程").start();}}先看线程1的指令重排：数字=1；标志=真；执行顺序变为flag=true;num=1;，如时序图示意图10-线程1指令重排如果线程2num=num+5在线程1设置num=1之前执行，那么num的值线程2的变量为5，时序图如下图所示。示意图11-线程2在num=1之前执行8.4volatile如何禁止指令重排？我们使用volatile来定义flag变量：staticvolatilebooleanflag=false；《如何实现禁止指令重排：》原理：通过在指令序列前后插入volatile内存屏障（MemoryBarries）来禁止处理器重排。》有四种内存屏障，如下：《四种内存屏障》如何在volatile写场景中插入内存屏障：》在每一个volatile写操作的前面插入一个StoreStore屏障（write-writebarrier）。在每个易失性写操作之后插入一个StoreLoad屏障（写-读屏障）。示意图12-volatile写场景下如何插入内存屏障Storebarrier可以保证在volatile写之前（标志赋值操作flag=true），之前所有正常的写操作（num赋值操作num=1）都已经执行完毕任何processor都可以看出，所有正常写入都保证在volatile写入之前刷新到主存。《Howtoinsertamemorybarrierinavolatilereadscenario：》在每次volatile读操作之后插入一个LoadLoad屏障（read-readbarrier）。在每个易失性读取操作之后插入一个LoadStore屏障（读写屏障）。示意图13-volatile读场景如何插入内存屏障LoadStore屏障可以保证后面所有正常的写操作（num赋值操作num=num+5）必须在volatile读（if(flag)）之后执行。10、volatile的常见应用这里是一个应用，单例模式，双检测加锁包com.jackson0714.passjava.threads；-08-17*/classVolatileSingleton{privatestaticVolatileSingletoninstance=null;privateVolatileSingleton(){System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t我是构造函数SingletonDemo");}publicstaticVolatileSingletongetInstance(){//首先detectionif(instance==null){//锁定代码块synchronized(VolatileSingleton.class){//二次检测if(instance==null){//实例化对象instance=newVolatileSingleton();}}}returninstance;}}代码看起来不错，但是instance=newVolatileSingleton();其实可以看成三个伪代码：memory=allocate();//1、分配对象内存空间instance(memory);//2、初始化对象instance=memory;//3、设置instance指向内存地址刚刚分配，此时instance!=nullstep2和step3之间没有数据依赖，而且无论重排前后，程序的执行结果在单线程中不会发生变化，所以允许这种重排优化.memory=allocate();//1、分配对象内存空间instance=memory;//3、设置instance指向刚刚分配的内存地址，此时instance!=null，但是对象还没有初始化instance(内存);//2.初始化对象如果另一个线程执行：if(instance==null)，返回刚刚分配的内存地址，但是对象还没有初始化，得到的实例是假的。如下图所示：示意图14-双重检查锁并发问题的解决方案：将instance定义为volatile变量privatestaticvolatileVolatileSingletoninstance=null;十一、volatile不保证原子性，为什么我们还要用它？奇怪的是，Volatile不保证原子性，为什么我们还要用呢？Volatile是一种轻量级的同步机制，与synchronized相比，它对性能的影响更小。典型用法：检查一个状态标志以确定是否退出循环。例如，线程试图通过类似于数羊的传统方法进入睡眠状态。为了让这个例子正确执行，sleep必须是一个volatile变量。否则当sleep被其他线程修改时，执行判断的线程是找不到的。“那我们为什么不直接用synchronized和lock呢？他们既能保证可见性，又能保证原子性，为什么不用呢？”因为synchronized和lock都是排它锁（悲观锁），如果多个线程需要访问这个变量，就会产生竞争，只有一个线程可以访问这个变量，其他线程阻塞，会影响程序的性能。注意：当且仅当满足以下所有条件时，使用volatile变量写入变量不应依赖于变量的当前值，或者可以确保只有单个线程更新变量的值。该变量不与其他状态一起包含在不变条件中。访问变量时不需要加锁。12、volatile和synchronized的区别volatile只能修改实例变量和类变量，synchronized可以修改方法和代码块。volatile不保证原子性，synchronized保证原子性。volatile不会造成阻塞，而synchronized可能会造成阻塞。volatile轻量级锁、synchronized重量级锁volatile和synchronized都保证了可见性和有序性。保证可见性：当一个线程修改共享变量的值时，其他线程可以立即知道修改。volatile确保指令不会在单个线程下重新排列：通过插入内存屏障来保证指令执行的顺序。Volatitle不保证原子性。a++等自增操作存在并发风险，如扣库存、发放优惠券等。volatile类型的64位long和double变量具有读取/写入变量的原子性。volatile可以用在doublechecklock的单例模式下，比synchronized有更好的性能。volatile可用于检查状态标志以确定是否退出循环。代码已经提交到github/码云：https://gitee.com/jayh2018/PassJava-Learning参考资料：《深入理解Java虚拟机》《Java并发编程的艺术》《Java并发编程实战》本文转载自微信公众号“悟空聊天架构”，大家可以关注下以下二维码。转载本文请联系悟空聊天架构公众号。
