日常編程中出現(xiàn) volatile 關(guān)鍵字的頻率并不高，大家可能對 volatile 關(guān)鍵字比較陌生，再深入一點也許是聽聞 volatile 只能保證可見性而不能保證原子性，無法有效保證線程安全，于是更加避免使用 volatile ，簡簡單單加上synchronize關(guān)鍵字就完事了。本文稍微深入探討 volatile 關(guān)鍵字，分析其作用及對應(yīng)的使用場景。

并發(fā)編程的幾個概念簡述

首先簡單介紹幾個與并發(fā)編程相關(guān)的概念：

• 可見性

可見性是指變量在線程之間是否可見，JVM 中默認情況下線程之間不具備可見性。

• 原子性

對于 a = 0 操作是屬于原子操作，但 a = a + 1 則不是原子操作，因為這里涉及到要先讀取原來 a 的值，然后再為 a 加 1 ，當(dāng)涉及多線程同時執(zhí)行該語句時，會出現(xiàn)值不穩(wěn)定的情況，所以非原子操作在并發(fā)場景下是不安全的。

• 有序性

java 內(nèi)存模型中允許編譯器和處理器進行指令重排優(yōu)化，重排過程中不會影響單個線程的指令執(zhí)行順序，但會影響多線程環(huán)境中的運行正確性

• 指令重排

在多核 CPU 的情況下，為了充分利用時間片，提高指令執(zhí)行效率，處理器會根據(jù)一定規(guī)則對指令進行重排序，由于規(guī)則的限定，指令重排后理論上最終運行結(jié)果不變。

volatile 的主要作用

volatile 的主要作用是實現(xiàn)可見性 和禁止指令重排

• 實現(xiàn)可見性

在 JVM 內(nèi)存模型中內(nèi)存分為主內(nèi)存和工作內(nèi)存，各線程有獨自的工作內(nèi)存，對于要操作的數(shù)據(jù)會從主內(nèi)存拷貝一份到工作內(nèi)存中，默認情況下工作內(nèi)存是相互獨立的，也就是線程之間不可見，而 volatile 最重要的作用之一就是使變量實現(xiàn)可見性。

• 禁止指令重排

雖然指令重排理論上不會影響執(zhí)行結(jié)果的正確性，但指令重排只能保證底層的機器語言重排序后結(jié)果正確，而對于Java高級語言，所以在沒有干預(yù)的情況下并不能確保每條語句在編譯對應(yīng)的指令重排后與期望的執(zhí)行效果一致。

對于以下示例，由于 ready 沒有指定 volatile ，當(dāng)變量 ready 線程間不可見時，可能導(dǎo)致線程中讀不到 ready 的新值，無法停止循環(huán)；如果指令重排序，可能在線程執(zhí)行前變量 ready 已賦值為 true ，導(dǎo)致線程內(nèi)容不打印。

public class NoVisibility {
 private static boolean ready;
 private static int number;
 private static class ReaderThread extends Thread {
  @Override
  public void run() {
   while(!ready) {
    Thread.yield();
   }
   System.out.println("1");
  }
 }
 public static void main(String[] args) {
  new ReaderThread().start();
  ready = true;
 }
}

為什么volatile不能保證線程安全？

想要線程安全必須保證原子性，可見性，有序性，而 volatile 只能保證可見性和有序性。

volatile 字段主要是讓線程從主內(nèi)存中獲取值從而保證可見性，但是CPU中還有一層高速緩存——寄存器，對于非原子性操作，在底層指令運算中還是會出現(xiàn)數(shù)據(jù)緩存導(dǎo)致運算結(jié)果不正確的情況，從而無法保證線程安全。
簡單來說，volatile 在多 cpu 環(huán)境下不能保證其它 cpu 的緩存同步刷新，因此無法保證原子性。

為什么不直接用synchronized

synchronized 可保證原子性、可見性、有序性，能有效保證線程安全，但是有個缺點是性能開銷較大，而 volatile 是輕量級的線程安全實現(xiàn)方案，在某些特定場合下也能保證線程安全。由于 synchronized 的便捷性，也容易導(dǎo)致 synchronized 的濫用。

雙重檢查鎖

因為 volatile 不能簡易的實現(xiàn)線程安全，需要有較深入的了解才能正確使用，所以 volatile也顯得更為復(fù)雜，使用頻率也較低，而 volatile 的一個典型使用例子是雙重檢查鎖模式。

雙重檢查鎖通常用于單例模式或延遲賦值的場景，其代碼通常如下

public class Singleton {
 private volatile static Singleton uniqueSingleton; // 1. 為變量添加volatile修飾符

 private Singleton() {
 }

 public Singleton getInstance() {
  if (null == uniqueSingleton) { //2. 第一重檢查
   synchronized (Singleton.class) { // 3. synchronized加鎖
    if (null == uniqueSingleton) { // 4. 第二重檢查
     uniqueSingleton = new Singleton();
    }
   }
  }
  return uniqueSingleton;
 }
}

以下是對這段代碼的一些疑問及解答：

Q: 為什么不在 getInstance 方法直接加 synchronized ？

A: 只有在第一次初始化時才需要加鎖，如果在getInstance方法上加鎖則每次獲取實例時都會對整段代碼塊加鎖，影響性能

Q: 為什么需要雙重檢查？

A: 如果多線程同時通過了第一次檢查，其中一個線程需要通過了第二次檢查才進行實例化對象，其余線程在后續(xù)等待獲取到鎖后則判斷到變量非空，跳過賦值操作。

Q: 為什么 uniqueSingleton 需要添加volatile關(guān)鍵字？

A: 對于 uniqueSingleton = new Singleton();語句，實際上可以分解成以下三個步驟：

• 分配內(nèi)存空間
• 初始化對象
• 將對象指向剛分配的內(nèi)存空間
  

但是有些編譯器為了性能的原因，可能會將第二步和第三步進行重排序，順序就成了：

• 分配內(nèi)存空間
• 將對象指向剛分配的內(nèi)存空間
• 初始化對象

現(xiàn)在考慮重排序后，兩個線程發(fā)生了以下調(diào)用：

在這里添加volatile關(guān)鍵字主要是避免在對象未完整完成對象創(chuàng)建就已經(jīng)被其他線程讀取，造成空指針異常。

總結(jié)

1. volatile 的主要作用是實現(xiàn)可見性和禁止指令重排。
2. 線程安全需要滿足可見性、有序性、原子性。
3. volatile 可以保證可見性和有序性，但是無法保證原子性，所以是線程不安全的。（非原子操作可能會導(dǎo)致數(shù)據(jù)緩存在CPU的cache中，產(chǎn)生數(shù)據(jù)不一致）
4. synchronized 關(guān)鍵字雖然可以保證可見性、有序性、原子性，而且用法簡單，但是性能開銷大。
5. 雙重檢查鎖模式是 volatile 的典型使用場景，雙重檢查鎖通常用于實現(xiàn)單例模式或延遲賦值。

以上就是Java并發(fā)編程volatile關(guān)鍵字的作用的詳細內(nèi)容，更多關(guān)于Java volatile關(guān)鍵字的資料請關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！

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