1.volatile關鍵字的兩層語義
一旦一個共享變量（類的成員變量、類的靜態(tài)成員變量）被volatile修飾之后，那么就具備了兩層語義：
1）保證了不同線程對這個變量進行操作時的可見性，即一個線程修改了某個變量的值，這新值對其他線程來說是立即可見的。
2）禁止進行指令重排序。
先看一段代碼，假如線程1先執(zhí)行，線程2后執(zhí)行：
|
1
2
3
4
5
6
7
8
|
//線程1boolean stop = false;while(!stop){ doSomething();} //線程2stop = true; |
這段代碼是很典型的一段代碼，很多人在中斷線程時可能都會采用這種標記辦法。但是事實上，這段代碼會完全運行正確么？即一定會將線程中斷么？不一定，也許在大多數(shù)時候，這個代碼能夠把線程中斷，但是也有可能會導致無法中斷線程（雖然這個可能性很小，但是只要一旦發(fā)生這種情況就會造成死循環(huán)了）。
下面解釋一下這段代碼為何有可能導致無法中斷線程。在前面已經(jīng)解釋過，每個線程在運行過程中都有自己的工作內(nèi)存，那么線程1在運行的時候，會將stop變量的值拷貝一份放在自己的工作內(nèi)存當中。
那么當線程2更改了stop變量的值之后，但是還沒來得及寫入主存當中，線程2轉(zhuǎn)去做其他事情了，那么線程1由于不知道線程2對stop變量的更改，因此還會一直循環(huán)下去。
但是用volatile修飾之后就變得不一樣了：
第一：使用volatile關鍵字會強制將修改的值立即寫入主存；
第二：使用volatile關鍵字的話，當線程2進行修改時，會導致線程1的工作內(nèi)存中緩存變量stop的緩存行無效（反映到硬件層的話，就是CPU的L1或者L2緩存中對應的緩存行無效）；
第三：由于線程1的工作內(nèi)存中緩存變量stop的緩存行無效，所以線程1再次讀取變量stop的值時會去主存讀取。
那么在線程2修改stop值時（當然這里包括2個操作，修改線程2工作內(nèi)存中的值，然后將修改后的值寫入內(nèi)存），會使得線程1的工作內(nèi)存中緩存變量stop的緩存行無效，然后線程1讀取時，發(fā)現(xiàn)自己的緩存行無效，它會等待緩存行對應的主存地址被更新之后，然后去對應的主存讀取最新的值。
那么線程1讀取到的就是最新的正確的值。
2.volatile的特性
當我們聲明共享變量為volatile后，對這個變量的讀/寫將會很特別。理解volatile特性的一個好方法是：把對volatile變量的單個讀/寫，看成是使用同一個監(jiān)視器鎖對這些單個讀/寫操作做了同步。下面我們通過具體的示例來說明，請看下面的示例代碼：
|
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
|
class VolatileFeaturesExample { volatile long vl = 0L; //使用volatile聲明64位的long型變量 public void set(long l) { vl = l; //單個volatile變量的寫 } public void getAndIncrement () { vl++; //復合（多個）volatile變量的讀/寫 } public long get() { return vl; //單個volatile變量的讀 }} |
假設有多個線程分別調(diào)用上面程序的三個方法，這個程序在語意上和下面程序等價：
|
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
|
class VolatileFeaturesExample { long vl = 0L; // 64位的long型普通變量 public synchronized void set(long l) { //對單個的普通 變量的寫用同一個監(jiān)視器同步 vl = l; } public void getAndIncrement () { //普通方法調(diào)用 long temp = get(); //調(diào)用已同步的讀方法 temp += 1L; //普通寫操作 set(temp); //調(diào)用已同步的寫方法 } public synchronized long get() { //對單個的普通變量的讀用同一個監(jiān)視器同步 return vl; }} |
如上面示例程序所示，對一個volatile變量的單個讀/寫操作，與對一個普通變量的讀/寫操作使用同一個監(jiān)視器鎖來同步，它們之間的執(zhí)行效果相同。
監(jiān)視器鎖的happens-before規(guī)則保證釋放監(jiān)視器和獲取監(jiān)視器的兩個線程之間的內(nèi)存可見性，這意味著對一個volatile變量的讀，總是能看到（任意線程）對這個volatile變量最后的寫入。
3.volatile寫-讀建立的happens before關系
上面講的是volatile變量自身的特性，對程序員來說，volatile對線程的內(nèi)存可見性的影響比volatile自身的特性更為重要，也更需要我們?nèi)リP注。
從JSR-133開始，volatile變量的寫-讀可以實現(xiàn)線程之間的通信。
從內(nèi)存語義的角度來說，volatile與監(jiān)視器鎖有相同的效果：volatile寫和監(jiān)視器的釋放有相同的內(nèi)存語義；volatile讀與監(jiān)視器的獲取有相同的內(nèi)存語義。
請看下面使用volatile變量的示例代碼：
|
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
|
class VolatileExample { int a = 0; volatile boolean flag = false; public void writer() { a = 1; //1 flag = true; //2 } public void reader() { if (flag) { //3 int i = a; //4 …… } }} |
假設線程A執(zhí)行writer()方法之后，線程B執(zhí)行reader()方法。根據(jù)happens before規(guī)則，這個過程建立的happens before 關系可以分為兩類：
根據(jù)程序次序規(guī)則，1 happens before 2; 3 happens before 4。
根據(jù)volatile規(guī)則，2 happens before 3。
根據(jù)happens before 的傳遞性規(guī)則，1 happens before 4。
上述happens before 關系的圖形化表現(xiàn)形式如下：
在上圖中，每一個箭頭鏈接的兩個節(jié)點，代表了一個happens before 關系。黑色箭頭表示程序順序規(guī)則；橙色箭頭表示volatile規(guī)則；藍色箭頭表示組合這些規(guī)則后提供的happens before保證。
這里A線程寫一個volatile變量后，B線程讀同一個volatile變量。A線程在寫volatile變量之前所有可見的共享變量，在B線程讀同一個volatile變量后，將立即變得對B線程可見。
4.volatile寫-讀的內(nèi)存語義
volatile寫的內(nèi)存語義如下：
當寫一個volatile變量時，JMM會把該線程對應的本地內(nèi)存中的共享變量刷新到主內(nèi)存。
以上面示例程序VolatileExample為例，假設線程A首先執(zhí)行writer()方法，隨后線程B執(zhí)行reader()方法，初始時兩個線程的本地內(nèi)存中的flag和a都是初始狀態(tài)。下圖是線程A執(zhí)行volatile寫后，共享變量的狀態(tài)示意圖：
如上圖所示，線程A在寫flag變量后，本地內(nèi)存A中被線程A更新過的兩個共享變量的值被刷新到主內(nèi)存中。此時，本地內(nèi)存A和主內(nèi)存中的共享變量的值是一致的。
volatile讀的內(nèi)存語義如下：
當讀一個volatile變量時，JMM會把該線程對應的本地內(nèi)存置為無效。線程接下來將從主內(nèi)存中讀取共享變量。
下面是線程B讀同一個volatile變量后，共享變量的狀態(tài)示意圖：
如上圖所示，在讀flag變量后，本地內(nèi)存B已經(jīng)被置為無效。此時，線程B必須從主內(nèi)存中讀取共享變量。線程B的讀取操作將導致本地內(nèi)存B與主內(nèi)存中的共享變量的值也變成一致的了。
如果我們把volatile寫和volatile讀這兩個步驟綜合起來看的話，在讀線程B讀一個volatile變量后，寫線程A在寫這個volatile變量之前所有可見的共享變量的值都將立即變得對讀線程B可見。
下面對volatile寫和volatile讀的內(nèi)存語義做個總結：
線程A寫一個volatile變量，實質(zhì)上是線程A向接下來將要讀這個volatile變量的某個線程發(fā)出了（其對共享變量所在修改的）消息。
線程B讀一個volatile變量，實質(zhì)上是線程B接收了之前某個線程發(fā)出的（在寫這個volatile變量之前對共享變量所做修改的）消息。
線程A寫一個volatile變量，隨后線程B讀這個volatile變量，這個過程實質(zhì)上是線程A通過主內(nèi)存向線程B發(fā)送消息。
5.volatile保證原子性嗎？
從上面知道volatile關鍵字保證了操作的可見性，但是volatile能保證對變量的操作是原子性嗎？
下面看一個例子：
|
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
|
public class Test { public volatile int inc = 0; public void increase() { inc++; } public static void main(String[] args) { final Test test = new Test(); for(int i=0;i<10;i++){ new Thread(){ public void run() { for(int j=0;j<1000;j++) test.increase(); }; }.start(); } while(Thread.activeCount()>1) //保證前面的線程都執(zhí)行完 Thread.yield(); System.out.println(test.inc); }} |
大家想一下這段程序的輸出結果是多少？也許有些朋友認為是10000。但是事實上運行它會發(fā)現(xiàn)每次運行結果都不一致，都是一個小于10000的數(shù)字。
可能有的朋友就會有疑問，不對啊，上面是對變量inc進行自增操作，由于volatile保證了可見性，那么在每個線程中對inc自增完之后，在其他線程中都能看到修改后的值啊，所以有10個線程分別進行了1000次操作，那么最終inc的值應該是1000*10=10000。
這里面就有一個誤區(qū)了，volatile關鍵字能保證可見性沒有錯，但是上面的程序錯在沒能保證原子性。可見性只能保證每次讀取的是最新的值，但是volatile沒辦法保證對變量的操作的原子性。
在前面已經(jīng)提到過，自增操作是不具備原子性的，它包括讀取變量的原始值、進行加1操作、寫入工作內(nèi)存。那么就是說自增操作的三個子操作可能會分割開執(zhí)行，就有可能導致下面這種情況出現(xiàn)：
假如某個時刻變量inc的值為10，
線程1對變量進行自增操作，線程1先讀取了變量inc的原始值，然后線程1被阻塞了；
然后線程2對變量進行自增操作，線程2也去讀取變量inc的原始值，由于線程1只是對變量inc進行讀取操作，而沒有對變量進行修改操作，所以不會導致線程2的工作內(nèi)存中緩存變量inc的緩存行無效，所以線程2會直接去主存讀取inc的值，發(fā)現(xiàn)inc的值時10，然后進行加1操作，并把11寫入工作內(nèi)存，最后寫入主存。
然后線程1接著進行加1操作，由于已經(jīng)讀取了inc的值，注意此時在線程1的工作內(nèi)存中inc的值仍然為10，所以線程1對inc進行加1操作后inc的值為11，然后將11寫入工作內(nèi)存，最后寫入主存。
那么兩個線程分別進行了一次自增操作后，inc只增加了1。
解釋到這里，可能有朋友會有疑問，不對啊，前面不是保證一個變量在修改volatile變量時，會讓緩存行無效嗎？然后其他線程去讀就會讀到新的值，對，這個沒錯。這個就是上面的happens-before規(guī)則中的volatile變量規(guī)則，但是要注意，線程1對變量進行讀取操作之后，被阻塞了的話，并沒有對inc值進行修改。然后雖然volatile能保證線程2對變量inc的值讀取是從內(nèi)存中讀取的，但是線程1沒有進行修改，所以線程2根本就不會看到修改的值。
根源就在這里，自增操作不是原子性操作，而且volatile也無法保證對變量的任何操作都是原子性的。
把上面的代碼改成以下任何一種都可以達到效果：
采用synchronized：
|
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
|
public class Test { public int inc = 0; public synchronized void increase() { inc++; } public static void main(String[] args) { final Test test = new Test(); for(int i=0;i<10;i++){ new Thread(){ public void run() { for(int j=0;j<1000;j++) test.increase(); }; }.start(); } while(Thread.activeCount()>1) //保證前面的線程都執(zhí)行完 Thread.yield(); System.out.println(test.inc); }} |
采用Lock：
|
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
|
public class Test { public int inc = 0; Lock lock = new ReentrantLock(); public void increase() { lock.lock(); try { inc++; } finally{ lock.unlock(); } } public static void main(String[] args) { final Test test = new Test(); for(int i=0;i<10;i++){ new Thread(){ public void run() { for(int j=0;j<1000;j++) test.increase(); }; }.start(); } while(Thread.activeCount()>1) //保證前面的線程都執(zhí)行完 Thread.yield(); System.out.println(test.inc); }} |
采用AtomicInteger：
|
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
|
public class Test { public AtomicInteger inc = new AtomicInteger(); public void increase() { inc.getAndIncrement(); } public static void main(String[] args) { final Test test = new Test(); for(int i=0;i<10;i++){ new Thread(){ public void run() { for(int j=0;j<1000;j++) test.increase(); }; }.start(); } while(Thread.activeCount()>1) //保證前面的線程都執(zhí)行完 Thread.yield(); System.out.println(test.inc); }} |
在java 1.5的java.util.concurrent.atomic包下提供了一些原子操作類，即對基本數(shù)據(jù)類型的 自增（加1操作），自減（減1操作）、以及加法操作（加一個數(shù)），減法操作（減一個數(shù)）進行了封裝，保證這些操作是原子性操作。atomic是利用CAS來實現(xiàn)原子性操作的（Compare And Swap），CAS實際上是利用處理器提供的CMPXCHG指令實現(xiàn)的，而處理器執(zhí)行CMPXCHG指令是一個原子性操作。
6.volatile能保證有序性嗎？
在前面提到volatile關鍵字能禁止指令重排序，所以volatile能在一定程度上保證有序性。
volatile關鍵字禁止指令重排序有兩層意思：
1）當程序執(zhí)行到volatile變量的讀操作或者寫操作時，在其前面的操作的更改肯定全部已經(jīng)進行，且結果已經(jīng)對后面的操作可見；在其后面的操作肯定還沒有進行；
2）在進行指令優(yōu)化時，不能將在對volatile變量訪問的語句放在其后面執(zhí)行，也不能把volatile變量后面的語句放到其前面執(zhí)行。
可能上面說的比較繞，舉個簡單的例子：
|
1
2
3
4
5
6
7
8
|
//x、y為非volatile變量//flag為volatile變量 x = 2; //語句1y = 0; //語句2flag = true; //語句3x = 4; //語句4y = -1; //語句5 |
由于flag變量為volatile變量，那么在進行指令重排序的過程的時候，不會將語句3放到語句1、語句2前面，也不會講語句3放到語句4、語句5后面。但是要注意語句1和語句2的順序、語句4和語句5的順序是不作任何保證的。
并且volatile關鍵字能保證，執(zhí)行到語句3時，語句1和語句2必定是執(zhí)行完畢了的，且語句1和語句2的執(zhí)行結果對語句3、語句4、語句5是可見的。
那么我們回到前面舉的一個例子：
|
1
2
3
4
5
6
7
8
9
|
//線程1:context = loadContext(); //語句1inited = true; //語句2 //線程2:while(!inited ){ sleep()}doSomethingwithconfig(context); |
前面舉這個例子的時候，提到有可能語句2會在語句1之前執(zhí)行，那么久可能導致context還沒被初始化，而線程2中就使用未初始化的context去進行操作，導致程序出錯。
這里如果用volatile關鍵字對inited變量進行修飾，就不會出現(xiàn)這種問題了，因為當執(zhí)行到語句2時，必定能保證context已經(jīng)初始化完畢。
