前言

volatile相關(guān)的知識(shí)其實(shí)自己一直都是有掌握的，能大概講出一些知識(shí)，例如：它可以保證可見(jiàn)性；禁止指令重排。這兩個(gè)特性張口就來(lái)，但要再往深了問(wèn)，具體是如何實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)特性的，以及在什么場(chǎng)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(wèn)題，就回答的不好了。因?yàn)?code>volatile是面試必問(wèn)的知識(shí)，所以這次準(zhǔn)備把這部分知識(shí)也給啃掉。

系統(tǒng)處理效率與Java內(nèi)存模型

在計(jì)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(shí)存儲(chǔ)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(guò)內(nèi)存來(lái)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)都不得不加入一層或多層讀寫(xiě)速度盡可能接近處理器運(yùn)算速度的高速緩存（Cache）來(lái)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(wú)須等待緩慢的內(nèi)存讀寫(xiě)了。

雖然說(shuō)增加了高速緩存提高了CPU的處理效率，但是也帶來(lái)了新的問(wèn)題 ：

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)都是多核CPU，一開(kāi)始，內(nèi)存中的變量A的值是1，第一個(gè)CPU讀取了數(shù)據(jù)，第二個(gè)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€(gè)CPU對(duì)變量A進(jìn)行加1操作時(shí)，變量A的值變成了2，然后將將變量A的值寫(xiě)回內(nèi)存中，這時(shí)第二個(gè)CPU也對(duì)變量A進(jìn)行加1操作時(shí)，由于第二個(gè)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(gè)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(gè)CPU訪問(wèn)的變量，通常稱(chēng)為共享變量。
而產(chǎn)生的上面的問(wèn)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(wèn)題。
因?yàn)槊總€(gè)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(huì)出現(xiàn)主內(nèi)存不知該以哪個(gè)高速緩存中的變量為準(zhǔn)的情況。

上面這個(gè)緩存不一致的問(wèn)題，我們先記下來(lái)，繼續(xù)來(lái)看Java內(nèi)存模型，其實(shí)Java內(nèi)存模型描述的上面講的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)高速緩存和內(nèi)存之間的關(guān)系類(lèi)似。

Java內(nèi)存模型描述了，各種變量的訪問(wèn)規(guī)則，以及將變量存儲(chǔ)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(lèi)變量）。
所有的共享變量都是存儲(chǔ)在主內(nèi)存中的，但是每個(gè)線程在訪問(wèn)變量的時(shí)候也都會(huì)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(jiǎn)稱(chēng)JMM）規(guī)定:

線程對(duì)變量的所有操作（讀，寫(xiě)）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(wèn)對(duì)方工作內(nèi)存中的變量，線程間的變量值傳遞必須通過(guò)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(jiàn)性（保證立即可見(jiàn)）

繼續(xù)我們上面的緩存一致性的問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題，在Java內(nèi)存模型中，就是可見(jiàn)性的問(wèn)題，即一個(gè)線程修改了共享變量的值，對(duì)另一個(gè)線程來(lái)說(shuō)是不是立即可見(jiàn)的。如果不是立即可見(jiàn)的，那么就會(huì)出現(xiàn)緩存一致性的問(wèn)題，如果是立即可見(jiàn)的，那么另一個(gè)線程在進(jìn)行操作的時(shí)候，拿到的變量值就是最新的。就可以解決可見(jiàn)性的問(wèn)題。

那么怎么解決可見(jiàn)性問(wèn)題呢？

• 方案一：加鎖

將共享變量加鎖，無(wú)論是synchronized還是Lock都可以，加鎖達(dá)到的目的是在同一時(shí)間內(nèi)只能有一個(gè)線程能對(duì)共享變量進(jìn)行操作，就是說(shuō)，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(guò)程中，其他線程是操作不了這個(gè)變量的。這樣自然就解決了可見(jiàn)性的問(wèn)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(gè)共享變量被volatile修飾后，會(huì)保證每個(gè)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(shí)會(huì)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(jiàn)性的問(wèn)題呢？

被volatile修飾的變量，在被線程操作時(shí)，會(huì)有這樣的機(jī)制：

就是線程對(duì)變量操作時(shí)會(huì)從主內(nèi)存中讀取到自己的工作內(nèi)存中，當(dāng)線程對(duì)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(huì)失效，這樣其他線程在使用變量的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)已經(jīng)失效，那么就會(huì)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(gè)關(guān)鍵字是如何實(shí)現(xiàn)這套機(jī)制的呢？

因?yàn)橐慌_(tái)計(jì)算機(jī)有多臺(tái)CPU，同一個(gè)變量，在多個(gè)CPU中緩存的值有可能不一樣，那么以誰(shuí)緩存的值為準(zhǔn)呢？

既然大家都有自己的值，那么各個(gè)CPU間就產(chǎn)生了一種協(xié)議，來(lái)保證按照一定的規(guī)律為準(zhǔn)，來(lái)確定共享變量的準(zhǔn)確值，這樣各個(gè)CPU在讀寫(xiě)共享變量時(shí)都按照協(xié)議來(lái)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(shuō)MESI時(shí)，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(chǔ)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(duì)變量進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí)發(fā)現(xiàn)，變量是共享變量，那么就會(huì)通知其他CPU中將該變量的緩存行設(shè)置為無(wú)效狀態(tài)。當(dāng)其他CPU在操作變量時(shí)發(fā)現(xiàn)此變量在的緩存行已經(jīng)無(wú)效，那么就會(huì)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?yàn)镃PU和其他部件的進(jìn)行通信是通過(guò)總線來(lái)進(jìn)行的，所以每個(gè)CPU通過(guò)嗅探總線上的傳播數(shù)據(jù)，來(lái)檢查自己緩存的值是不是過(guò)期了，當(dāng)處理器發(fā)現(xiàn)自己換成行對(duì)應(yīng)的內(nèi)存地址被修改后，就會(huì)將自己工作內(nèi)存中的緩存行設(shè)置成無(wú)須狀態(tài)，當(dāng)CPU對(duì)此變量進(jìn)行修改時(shí)會(huì)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(lái)說(shuō)，我們寫(xiě)程序的時(shí)候，都是要把先代碼從上往下寫(xiě)，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(huì)對(duì)指令進(jìn)行重新排序的。就是說(shuō)寫(xiě)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(gè)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(gè)線程執(zhí)行代碼的時(shí)候重排序的情況就更為突出了，各個(gè)CPU為了提高自己的效率，有可能會(huì)產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)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(gè)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(huì)達(dá)到禁止指令重排序的效果（其實(shí)也可以通過(guò)加鎖，還有一些其他已知規(guī)則來(lái)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(duì)內(nèi)存操作的順序限制。
Java編譯器，會(huì)在生成指令系列時(shí)，在適當(dāng)?shù)奈恢脮?huì)插入內(nèi)存屏障來(lái)禁止處理器對(duì)指令的重新排序。

volatile會(huì)在變量寫(xiě)操作的前后加入兩個(gè)內(nèi)存屏障，來(lái)保證前面的寫(xiě)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(gè)指令，禁止后面的讀指令和寫(xiě)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(duì)于開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)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(lái)就是：如果一個(gè)操作A的產(chǎn)生的影響能被另一個(gè)操作B觀察到，那么可以說(shuō)，這個(gè)操作A先行發(fā)生與操作B。

這里所說(shuō)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(duì)一個(gè)volatile變量的寫(xiě)操作，先行發(fā)生于后面任何地方對(duì)這個(gè)變量的讀操作。

Volatile無(wú)法保證原子性

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

就像上面說(shuō)的，如果多個(gè)線程對(duì)一個(gè)變量進(jìn)行累加，那么肯定得不到想要的結(jié)果，因?yàn)槔奂泳筒皇且粋€(gè)原子操作。

要保證累加最終結(jié)果正確，要么對(duì)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(lái)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€(gè)線程走到第一次檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)對(duì)象為空，然后進(jìn)入鎖，第二次就檢查時(shí)也為空，那么就去創(chuàng)建對(duì)象，但是這個(gè)時(shí)候又來(lái)了一個(gè)線程來(lái)到了第一次檢查，發(fā)現(xiàn)為空，但是這個(gè)時(shí)候因?yàn)殒i被占用，所以就只能阻塞等待，然后第一個(gè)線程創(chuàng)建對(duì)象成功了，由于對(duì)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(gè)線程釋放鎖之后，第二個(gè)線程進(jìn)入了鎖，然后進(jìn)行第二次檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)對(duì)象已經(jīng)被創(chuàng)建了，那么就不在創(chuàng)建對(duì)象了。從而保證的單例。

還有就是如果創(chuàng)建對(duì)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(gè)指令順序被重排了，那么當(dāng)多線程來(lái)獲取對(duì)象的時(shí)候就會(huì)造成對(duì)象雖然實(shí)例化了，但是沒(méi)有分配內(nèi)存空間，會(huì)有空指針的風(fēng)險(xiǎn)。
所以加上了volatile的對(duì)象，也保證了在第二次檢查時(shí)不會(huì)被已經(jīng)在創(chuàng)建過(guò)程中的對(duì)象有被檢測(cè)為空的風(fēng)險(xiǎn)。

總結(jié)一下

volatile其實(shí)可以看作是輕量級(jí)的synchronized，雖然說(shuō)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(huì)由于synchronized。

volatile可以適用于，某個(gè)標(biāo)識(shí)flag，一旦被修改了就需要被其他線程立即可見(jiàn)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(gè)線程修改了，就去觸發(fā)執(zhí)行某個(gè)操作。

volatile的變量寫(xiě)操作happen-before，后面任何對(duì)此volatile變量的讀操作。

到此這篇關(guān)于談?wù)剬?duì)Java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(qǐng)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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