java中的volatile关键字的特性及作用

序言

volatile关键字的特性及作用

想要理解volatile关键字的作用，需要先对jvm中的内存模型有所了解。
Java内存模型规定，对于多个线程共享的变量，存储在主内存当中，每个线程都有自己独立的工作内存（比如CPU的寄存器），线程只能访问自己的工作内存，不可以访问其它线程的工作内存。工作内存中保存了主内存共享变量的副本，线程要操作这些共享变量，只能通过操作工作内存中的副本来实现，操作完毕之后再同步回到主内存当中。
对jvm的内存模型有了基本的了解后，再来看volatile关键字的几个重要特性

内存一致性

image.png

假设现在有两个工作线程A和B以及一个控制工作流的标志位flag

Thread A;
Thread B;
boolean flag = true;

A线程中对flag做了一些修改(将flag置为false)，但此时Thread A只是再修改线程私有的工作内存，ThreadB看不到这个修改，那么此时ThreadB依赖标志位的一些逻辑就将变得不再可靠.

Thread A;
Thread B;
volatile boolean flag = true;

但如果将标志位用volatile关键字来修饰，ThreadA再修改标志位flag的时候从主内存中刷新变量的最新值，同时将线程B工作内存中的flag变量置为不可靠状态(dirty)，那么下次ThreadB如果要使用flag标志位的时候就会从主内存中读取变量的最新值，从而保证了变量再不同线程中的一致性.

防止指令重排

先看下jvm中指令重排的定义：
指令重排序是JVM为了优化指令，提高程序运行效率，在不影响单线程程序执行结果的前提下，尽可能地提高并行度。编译器、处理器也遵循这样一个目标。注意是单线程。多线程的情况下指令重排序就会给程序员带来问题。

关于指令重排，可以通过单例模式的经典模式双重加锁来详细了解:

if(mInstance==null){
  synchronized(mObject){
    mInstance = new Instance();
}
}
return mInstance;

双重加锁单例模式是一种懒汉式的加载模式，为了减少锁的消耗会再函数入口处提前判空，再在锁的代码段落内初始化实例。但实际上初始化的代码并非原子操作:

mInstance = new Instance()

它是有三条指令组合而成的:

memory =allocate();    //1：分配对象的内存空间 
ctorInstance(memory);  //2：初始化对象
instance =memory;     //3：instance指向刚分配的内存地址，此时对象还未初始化

如果jvm对这三条指令进行指令重排，比如按照 1-3-2 的顺序执行，那么在下面这种场景下就会产生问题：

ThreadA调用 getInstance()方法执行完了1和3两条指令，此时对象未初始化但是mIntance已经指向了一块内存区域；
ThreadB此时进入getIntance()方法，判定mIntance引用不为空，直接返回。
ThreadB就会使用到未初始化的实例对象，产生不可预期的错误.

volatile关键字通过禁止指令重排来避免了这种问题的产生.

内存屏障

上面总结到volatile关键字可以实现变量在各线程中的一致性，并且具有禁止指令重排的功能。其实这两个特性是通过内存屏障来实现的.
内存屏障是jvm上的指令,jvm上还有其它指令例如：

(1) lock:将主内存中的变量锁定，为一个线程所独占

(2) unclock:将lock加的锁定解除，此时其它的线程可以有机会访问此变量

(3) read:将主内存中的变量值读到工作内存当中

(4) load:将read读取的值保存到工作内存中的变量副本中。

(5) use:将值传递给线程的代码执行引擎

(6) assign:将执行引擎处理返回的值重新赋值给变量副本

(7) store:将变量副本的值存储到主内存中。

(8) write:将store存储的值写入到主内存的共享变量当中。

从功能上内存屏障可以分为两种：

读障碍：在某条指令前插入读障碍指令，保证从主内存中读取最新值.
写障碍：在某条指令后插入写障碍指令，保证将缓冲区工作内存中的值写入到主内存.

而内存屏障指令具体可分为四种:

loadload: 在load1和load2指令之间插入，保障在执行load2之前load1指令的读取操作完成.
storestore: 在store1和store2指令之间插入，保障在执行store2之前store1指令的写入操作对其它线程(处理器)可见.
loadstore: 在load1和store2指令之间插入，保障在执行store2之前load1指令的读取操作完成.
storeload 在store1和load2指令之间插入，保障在执行load2之前store1指令的写入操作完成并对其它线程(处理器)可见.

volatile关键字的注意事项

volatile关键字使得对于单个变量的读写操作具有了原子性，但不包括自增自减这种操作。也就是说

volatile a;
a = 1;
b = a;

在语义上等同于

sychronized(){
  a = 1;
}

synchronized(){
  b =a;
}

但

volatile a;
a++;

这种操作并不具有原子性，因为a++并非一条指令!,当翻译成jvm上的机器码时，它会变成若干条指令.