前言

volatile相關(guān)的知識其實(shí)自己一直都是有掌握的，能大概講出一些知識，例如：它可以保證可見性；禁止指令重排。這兩個特性張口就來，但要再往深了問，具體是如何實(shí)現(xiàn)這兩個特性的，以及在什么場景下使用volatile，為什么不直接用synchronized這種深入和擴(kuò)展相關(guān)的問題，就回答的不好了。因為volatile是面試必問的知識，所以這次準(zhǔn)備把這部分知識也給啃掉。

系統(tǒng)處理效率與Java內(nèi)存模型

在計算機(jī)中，每條程序指令都是在CPU中執(zhí)行的，而CPU執(zhí)行指令的數(shù)據(jù)都是臨時存儲在內(nèi)存中的，但是CPU的執(zhí)行速度遠(yuǎn)超內(nèi)存的讀取速度，如果所有的CPU指令都是通過內(nèi)存來讀取數(shù)據(jù)的話那么將大大的降低了系統(tǒng)的處理效率，所以現(xiàn)代計算機(jī)系統(tǒng)都不得不加入一層或多層讀寫速度盡可能接近處理器運(yùn)算速度的高速緩存（Cache）來作為內(nèi)存與處理器之間的緩沖。

將運(yùn)算需要使用的數(shù)據(jù)復(fù)制到緩存中，讓運(yùn)算能快速進(jìn)行，當(dāng)運(yùn)算結(jié)束后，在從緩存同步回內(nèi)存之中，這樣處理器就無須等待緩慢的內(nèi)存讀寫了。

雖然說增加了高速緩存提高了CPU的處理效率，但是也帶來了新的問題 ：

現(xiàn)代計算機(jī)都是多核CPU，一開始，內(nèi)存中的變量A的值是1，第一個CPU讀取了數(shù)據(jù)，第二個CPU也將數(shù)據(jù)讀取到了自己的高速緩存當(dāng)中，當(dāng)?shù)谝粋€CPU對變量A進(jìn)行加1操作時，變量A的值變成了2，然后將將變量A的值寫回內(nèi)存中，這時第二個CPU也對變量A進(jìn)行加1操作時，由于第二個CPU中高速緩存中的值還是1，所以加1操作后的結(jié)果為2，然后第二個CPU又將變量A的值同步回內(nèi)存中，這樣就導(dǎo)致執(zhí)行了兩次加1操作后，變量A的值最終是2，而不是3。
這種被多個CPU訪問的變量，通常稱為共享變量。
而產(chǎn)生的上面的問題，就是引入了高速緩存后的，主內(nèi)存和緩存內(nèi)容不一致的問題。
因為每個處理器有自己的高速緩存，但是它們又共享同一塊主內(nèi)存，所以必然會出現(xiàn)主內(nèi)存不知該以哪個高速緩存中的變量為準(zhǔn)的情況。

上面這個緩存不一致的問題，我們先記下來，繼續(xù)來看Java內(nèi)存模型，其實(shí)Java內(nèi)存模型描述的上面講的計算機(jī)系統(tǒng)高速緩存和內(nèi)存之間的關(guān)系類似。

Java內(nèi)存模型描述了，各種變量的訪問規(guī)則，以及將變量存儲到內(nèi)存和從內(nèi)存讀取變量的這種底層細(xì)節(jié)。

在Java內(nèi)存模型中關(guān)注的變量都是共享變量（實(shí)例變量、類變量）。
所有的共享變量都是存儲在主內(nèi)存中的，但是每個線程在訪問變量的時候也都會在自己的工作內(nèi)存（處理器高速緩存）中保留一份共享變量的副本。

Java內(nèi)存模型（Java Memory Model，簡稱JMM）規(guī)定:

線程對變量的所有操作（讀，寫）都必須在工作內(nèi)存中進(jìn)行，不能直接操作主內(nèi)存中的數(shù)據(jù)。
不同線程之間 也不能直接訪問對方工作內(nèi)存中的變量，線程間的變量值傳遞必須通過主內(nèi)存進(jìn)行中轉(zhuǎn)傳遞。
在JMM中工作內(nèi)存和主內(nèi)存的關(guān)系如下圖：

Volatile的可見性（保證立即可見）

繼續(xù)我們上面的緩存一致性的問題，這個問題，在Java內(nèi)存模型中，就是可見性的問題，即一個線程修改了共享變量的值，對另一個線程來說是不是立即可見的。如果不是立即可見的，那么就會出現(xiàn)緩存一致性的問題，如果是立即可見的，那么另一個線程在進(jìn)行操作的時候，拿到的變量值就是最新的。就可以解決可見性的問題。

那么怎么解決可見性問題呢？

• 方案一：加鎖

將共享變量加鎖，無論是synchronized還是Lock都可以，加鎖達(dá)到的目的是在同一時間內(nèi)只能有一個線程能對共享變量進(jìn)行操作，就是說，共享變量從讀取到工作內(nèi)存到更新值后，同步回主內(nèi)存的過程中，其他線程是操作不了這個變量的。這樣自然就解決了可見性的問題了，但是這樣的效率比較低，操作不了共享變量的線程就只能阻塞。

• 方案二：volatile修飾修飾共享變量

當(dāng)一個共享變量被volatile修飾后，會保證每個線程將變量修改后的值立即同步回主內(nèi)存中，當(dāng)其他線程有需要讀取變量時會讀取到最新的變量值。

那么volatile做了些什么操作就能解決可見性的問題呢？

被volatile修飾的變量，在被線程操作時，會有這樣的機(jī)制：

就是線程對變量操作時會從主內(nèi)存中讀取到自己的工作內(nèi)存中，當(dāng)線程對變量進(jìn)行了修改后，那么其他已經(jīng)讀取了此變量的線程中的變量副本就會失效，這樣其他線程在使用變量的時候，發(fā)現(xiàn)已經(jīng)失效，那么就會去主內(nèi)存中重新獲取，這樣獲取到的就只最新的值了。

那么volatile這個關(guān)鍵字是如何實(shí)現(xiàn)這套機(jī)制的呢？

因為一臺計算機(jī)有多臺CPU，同一個變量，在多個CPU中緩存的值有可能不一樣，那么以誰緩存的值為準(zhǔn)呢？

既然大家都有自己的值，那么各個CPU間就產(chǎn)生了一種協(xié)議，來保證按照一定的規(guī)律為準(zhǔn)，來確定共享變量的準(zhǔn)確值，這樣各個CPU在讀寫共享變量時都按照協(xié)議來操作。

這就是緩存一致性協(xié)議。

最著名的緩存一致性協(xié)議就是Intel的MESI了，說MESI時，先解釋一下，緩存行：

緩存行（cache line）：CPU高速緩存的中可以分配的最小存儲單位，高速緩存中的變量都是存在緩存行中的。

MESI的核心思想就是，當(dāng)CPU對變量進(jìn)行寫操作時發(fā)現(xiàn)，變量是共享變量，那么就會通知其他CPU中將該變量的緩存行設(shè)置為無效狀態(tài)。當(dāng)其他CPU在操作變量時發(fā)現(xiàn)此變量在的緩存行已經(jīng)無效，那么就會去主內(nèi)存中重新讀取最新的變量。

那么其他CPU是如何發(fā)現(xiàn)變量被修改了的呢？

因為CPU和其他部件的進(jìn)行通信是通過總線來進(jìn)行的，所以每個CPU通過嗅探總線上的傳播數(shù)據(jù)，來檢查自己緩存的值是不是過期了，當(dāng)處理器發(fā)現(xiàn)自己換成行對應(yīng)的內(nèi)存地址被修改后，就會將自己工作內(nèi)存中的緩存行設(shè)置成無須狀態(tài)，當(dāng)CPU對此變量進(jìn)行修改時會重新從系統(tǒng)主內(nèi)存中讀取變量。

Volatile的有序性（禁止指令重排）

一般來說，我們寫程序的時候，都是要把先代碼從上往下寫，默認(rèn)的認(rèn)為程序是自頂向下順序執(zhí)行的，但是CPU為了提高效率，在保證最終結(jié)果準(zhǔn)確的情況下，是會對指令進(jìn)行重新排序的。就是說寫在前的代碼不一定先執(zhí)行，在后面的也不一定晚執(zhí)行。

舉個例子：

int a = 5; // 代碼1
int b = 8; // 代碼2
a = a + 4;	// 代碼3
int c = a + b;	// 代碼4

上面四行代碼的執(zhí)行順序有可能是

JMM在是允許指令重排序的，在保證最后結(jié)果正確的情況下，處理器可以盡情的發(fā)揮，提高執(zhí)行效率。

當(dāng)多個線程執(zhí)行代碼的時候重排序的情況就更為突出了，各個CPU為了提高自己的效率，有可能會產(chǎn)生競爭情況，這樣就有可能導(dǎo)致最終執(zhí)行的正確性。

所以為了保證在多個線程下最終執(zhí)行的正確性，將變量用volatile進(jìn)行修飾，這樣就會達(dá)到禁止指令重排序的效果（其實(shí)也可以通過加鎖，還有一些其他已知規(guī)則來實(shí)現(xiàn)禁止指令重排序，但是我們這里只討論volatile的實(shí)現(xiàn)方式）。

那么volatile是如何實(shí)現(xiàn)指令重排序的呢？

答案是：內(nèi)存屏障

內(nèi)存屏障是一組CPU指令，用于實(shí)現(xiàn)對內(nèi)存操作的順序限制。
Java編譯器，會在生成指令系列時，在適當(dāng)?shù)奈恢脮迦雰?nèi)存屏障來禁止處理器對指令的重新排序。

volatile會在變量寫操作的前后加入兩個內(nèi)存屏障，來保證前面的寫指令和后面的讀指令是有序的。

volatile在變量的讀操作后面插入兩個指令，禁止后面的讀指令和寫指令重排序。

有序性，不僅只有volatile能保證，其他的實(shí)現(xiàn)方式也能保證，但是如果每一種實(shí)現(xiàn)方式都要了解那對于開發(fā)人員來說就比較困難了。

所以從JDK5就出現(xiàn)了happen-before原則，也叫先行發(fā)生原則。
先行發(fā)生原則總結(jié)起來就是：如果一個操作A的產(chǎn)生的影響能被另一個操作B觀察到，那么可以說，這個操作A先行發(fā)生與操作B。

這里所說的影響包括內(nèi)存中的變量的修改，調(diào)用了方法，發(fā)送量消息等。

volatile中的先行發(fā)生原則是，對一個volatile變量的寫操作，先行發(fā)生于后面任何地方對這個變量的讀操作。

Volatile無法保證原子性

原子性，是指一個操作過程要么都成功，要么都失敗，是一個獨(dú)立的完整的。

就像上面說的，如果多個線程對一個變量進(jìn)行累加，那么肯定得不到想要的結(jié)果，因為累加就不是一個原子操作。

要保證累加最終結(jié)果正確，要么對累加變量加鎖，要么就用AotomicInteger這樣的變量。

/**
 * 雙重檢查加鎖式單例
 */
public class DoubleCheckLockSingleton implements Serializable{

  /**
   * 靜態(tài)變量，用來存放實(shí)例。
   */
  private volatile static DoubleCheckLockSingleton doubleCheckLockSingleton = null;

  /**
   * 私有化構(gòu)造方法，禁止外部創(chuàng)建實(shí)例。
   */
  private DoubleCheckLockSingleton(){}

  /**
   * 雙重檢查加鎖的方式保證線程安全又能獲得到唯一實(shí)例
   * @return
   */
  public static DoubleCheckLockSingleton getInstance(){
    //第一次檢查實(shí)例是否已經(jīng)存在，不存在則進(jìn)入代碼塊
    if(null == doubleCheckLockSingleton){
      synchronized (DoubleCheckLockSingleton.class){
        //第二次檢查
        if(null==doubleCheckLockSingleton){
          doubleCheckLockSingleton = new DoubleCheckLockSingleton();
        }
      }
    }

    return doubleCheckLockSingleton;
  }

}

為什么要進(jìn)行雙重檢查呢？

當(dāng)?shù)谝粋€線程走到第一次檢查時發(fā)現(xiàn)對象為空，然后進(jìn)入鎖，第二次就檢查時也為空，那么就去創(chuàng)建對象，但是這個時候又來了一個線程來到了第一次檢查，發(fā)現(xiàn)為空，但是這個時候因為鎖被占用，所以就只能阻塞等待，然后第一個線程創(chuàng)建對象成功了，由于對象是被volatile修飾的能夠立即反饋到其他線程上，所以在第一個線程釋放鎖之后，第二個線程進(jìn)入了鎖，然后進(jìn)行第二次檢查時，發(fā)現(xiàn)對象已經(jīng)被創(chuàng)建了，那么就不在創(chuàng)建對象了。從而保證的單例。

還有就是如果創(chuàng)建對象，步驟：

• 分配內(nèi)存空間。
• 調(diào)用構(gòu)造器，實(shí)例化。
• 返回內(nèi)存地址給引用。

如果這三個指令順序被重排了，那么當(dāng)多線程來獲取對象的時候就會造成對象雖然實(shí)例化了，但是沒有分配內(nèi)存空間，會有空指針的風(fēng)險。
所以加上了volatile的對象，也保證了在第二次檢查時不會被已經(jīng)在創(chuàng)建過程中的對象有被檢測為空的風(fēng)險。

總結(jié)一下

volatile其實(shí)可以看作是輕量級的synchronized，雖然說volatile不能保證原子性，但是如果在多線程下的操作本身就是原子性操作（例如賦值操作），那么使用volatile會由于synchronized。

volatile可以適用于，某個標(biāo)識flag，一旦被修改了就需要被其他線程立即可見的情況。也可以修飾作為觸發(fā)器的變量，一旦變量被任何一個線程修改了，就去觸發(fā)執(zhí)行某個操作。

volatile的變量寫操作happen-before，后面任何對此volatile變量的讀操作。

到此這篇關(guān)于談?wù)剬ava中的volatile的理解的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java中的volatile內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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