学习日志：volatile 关键字

前言

在 Java 中，volatile 关键字可以保证变量的可见性，如果将变量声明为 volatile ，这就指示 JVM，这个变量是共享且不稳定的，每次使用它都到主存中进行读取。

一、volatile 关键字

volatile 关键字其实并非是 Java 语言特有的，在 C 语言里也有，它最原始的意义就是禁用 CPU 缓存。如果我们将一个变量使用 volatile 修饰，这就指示 编译器，这个变量是共享且不稳定的，每次使用它都到主存中进行读取


JMM(Java 内存模型)强制在主存中进行读取

volatile 关键字能保证数据的可见性，但不能保证数据的原子性。synchronized 关键字两者都能保证。

二、禁止指令重排序

在 Java 中，volatile 关键字除了可以保证变量的可见性，还有一个重要的作用就是防止 JVM 的指令重排序。 如果我们将变量声明为 volatile ，在对这个变量进行读写操作的时候，会通过插入特定的 内存屏障 的方式来禁止指令重排序。

在 Java 中，Unsafe 类提供了三个开箱即用的内存屏障相关的方法，屏蔽了操作系统底层的差异：

public native void loadFence();
public native void storeFence();
public native void fullFence();

理论上来说，这个三个方法也可以实现和volatile禁止重排序一样的效果，只是会麻烦一些。

二、双重检验锁方式实现单例模式

双重校验锁实现对象单例（线程安全）：

public class Singleton {private volatile static Singleton uniqueInstance;private Singleton() {}public  static Singleton getUniqueInstance() {//先判断对象是否已经实例过，没有实例化过才进入加锁代码if (uniqueInstance == null) {//类对象加锁synchronized (Singleton.class) {if (uniqueInstance == null) {uniqueInstance = new Singleton();}}}return uniqueInstance;}
}

uniqueInstance 采用 volatile 关键字修饰也是很有必要的， uniqueInstance = new Singleton(); 这段代码其实是分为三步执行：

1. 为 uniqueInstance 分配内存空间
2. 初始化 uniqueInstance
3. 将 uniqueInstance 指向分配的内存地址

但是由于 JVM 具有指令重排的特性，执行顺序有可能变成 1->3->2。指令重排在单线程环境下不会出现问题，但是在多线程环境下会导致一个线程获得还没有初始化的实例。

例如，线程 T1 执行了 1 和 3，此时 T2 调用 getUniqueInstance() 后发现 uniqueInstance 不为空，因此返回 uniqueInstance，但此时 uniqueInstance 还未被初始化。

三、volatile 不能保证原子性

volatile 关键字能保证变量的可见性，但不能保证对变量的操作是原子性的。
例如：

public class VolatileAtomicityDemo {public volatile static int inc = 0;//对volatile变量inc执行+1操作public void increase() {inc++;}public static void main(String[] args) throws InterruptedException {//创建线程池ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(5);VolatileAtomicityDemo volatileAtomicityDemo = new VolatileAtomicityDemo();//使用每个线程调用increase方法去执行500次+1操作for (int i = 0; i < 5; i++) {threadPool.execute(() -> {for (int j = 0; j < 500; j++) {volatileAtomicityDemo.increase();}});}// 等待1.5秒，保证上面程序执行完成Thread.sleep(1500);System.out.println(inc);threadPool.shutdown();}
}

正常情况下，运行上面的代码理应输出 2500。但真正运行了上面的代码之后，会发现每次输出结果都小于 2500。

也就是说，如果 volatile 能保证 inc++ 操作的原子性的话。每个线程中对 inc 变量自增完之后，其他线程可以立即看到修改后的值。5 个线程分别进行了 500 次操作，那么最终 inc 的值应该是 5*500=2500。

很多人会误认为自增操作 inc++ 是原子性的，实际上，inc++ 其实是一个复合操作，包括三步：

1. 读取 inc 的值。
2. 对 inc 加 1。
3. 将 inc 的值写回内存。

volatile 是无法保证这三个操作是具有原子性的，有可能导致下面这种情况出现：

1. 线程 1 对 inc 进行读取操作之后，还未对其进行修改。线程 2 又读取了 inc的值并对其进行修改（+1），再将inc的值写回内存。
2. 线程 2 操作完毕后，线程 1 对 inc的值进行修改（+1），再将inc 的值写回内存。

这也就导致两个线程分别对 inc 进行了一次自增操作后，inc 实际上只增加了 1。

其实，如果想要保证上面的代码运行正确也非常简单，

利用 synchronized、Lock或者AtomicInteger都可以。

public synchronized void increase() {inc++;
}

public AtomicInteger inc = new AtomicInteger();public void increase() {inc.getAndIncrement();
}

Lock lock = new ReentrantLock();
public void increase() {lock.lock();try {inc++;} finally {lock.unlock();}
}