解读volatile关键字

酷米奇奇
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volatile的字面意思为“不稳定的，易变的”。 我们经常能在一些源码中看见其身影，但在日常开发中却又很少用到，我们可以不用，但不可以不知道它，那么本文就来介绍它的作用。本文参考Java并发编程：volatile关键字解析进行解读。

一、保证可见性

首先我们需要知道，当一个线程执行一个运算，需要哪些步骤。如执行i = i + 1。

  • 第一步：首先线程读取内存中当前i的值，假设为0，然后将i = 0复制一份到线程内的高速缓存中。
  • 第二步：线程读取高速缓存中的值进行运算，然后将运算的结果i = 1放入高速缓存中。
  • 第三步：最后cpu的高速缓存再把i = 1刷新到内存，最终序列化（写入）到硬盘上。

在单线程中，这个步骤没什么毛病，主要是在多线程中。举一个不太恰当的例子（后面会解释为什么不恰当），假设有两个线程A、B都在执行，那么当A执行到第二步的时候还没来得及刷新到内存中，此时B执行第一步，将i = 0拿去计算，最后B的执行结果i = 1覆盖了A的执行结果，原本执行两次之后，i的值应该是2的，这却是1，这就导致了缓存不一致的问题。
解决办法有两个：

  1. 强行只让1个线程去读取执行，自然就不存在不一致的问题。
  2. 线程之间的高速缓存数据同步。 第一种办法是加锁，通过synchronized和Lock来实现，能够保证任一时刻只有一个线程执行该代码块，从而保证了原子性。但其效率不高，大概就像这样：

第二种办法就是我们的主角volatile关键字的可见性。保证了不同线程对这个变量进行操作时的可见性，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。 那么在上述例子中，当A的高速缓存中i的值发生改变之后，会强制将值立即写入内存，而B刚从内存中取得的值就失效了，需要再次读取，这样就解决了缓存不一致的问题。

JMM定义了线程和主内存之间的抽象关系：每个线程都有一个私有的本地内存（如CPU的高速缓存），本地内存中存储了该线程以读/写共享变量的副本。本地内存是JMM的一个抽象概念，并不真实存在。\color{#FF3090}{本地内存是JMM的一个抽象概念，并不真实存在。}

二、保证有序性

首先我们需要了解什么是“指令重排序”。处理器为了提高程序运行效率，可能会对输入代码进行优化，它不保证程序中各个语句的执行先后顺序同代码中的顺序一致，但是它会保证程序最终执行结果和代码顺序执行的结果是一致的。
这个跟上面的一样，在单线程执行是没问题的，但是到了多线程中，就会发生混乱，最终导致执行错误。而volatile关键字禁止指令重排序。举个例子，在一个纸箱中放入一些乒乓球，当你用手在纸箱中拨动的时候，里面的球会四处滚动，而在中间放入一块隔板，将箱子隔成前后AB两个空间，那么A中的球只能在A中滚动，B中的球只能在B中滚动，而volatile就是那个隔板。volatile修饰的代码能确保当执行到当前这行时，其之前的代码都已执行完成，而其后面的代码不能比它先执行。

三、不能保证原子性

要解决并发问题，必须同时满足三个条件，原子性、可见性、有序性。上面已经介绍过通过volatile修饰之后可以满足可见性与有序性，那么原子性呢？答案是：volatile无法保证原子性。 那么要进行原子操作，就需要借助synchronized、Lock、JUC(Java 5.0 提供了java.util.concurrent包)，所以volatile不可替代synchronized关键字。

四、使用场景

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
    总而言之上面的意思就是，首先要保证具备原子性才有使用volatile的意义。
    我们介绍可见性时举的例子其实是不太准确的，因为i = i + 1它不是一个原子操作。这里有三个步骤：
  • 获取i的值
  • 执行i + 1
  • 把i + 1的计算结果赋值给i
    上述的每一个操作都是原子性的，但是合在一块，就不再是原子性了，所以用volatile修饰i并不能解决并发问题。

最后附上一个经典的使用它的场景代码，双重校验锁单例，double check。

class Singleton{

    //volatile修饰使得具备有序性与可见性
    private volatile static Singleton instance = null;
    
    //私有化构造方法，禁止new对象
    private Singleton() {}
    
    public static Singleton getInstance() {
        //第一次校验，如果不为空直接返回，为空new对象
        if(instance==null) {
            //确保操作是原子性
            synchronized (Singleton.class) {
            	//第二次校验，是防止在执行第一次if判断的一瞬间，多个线程进入已new过对象了
                if(instance==null)
                    instance = new Singleton();
            }
        }
        return instance;
    }
}
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