1.volatile關(guān)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：

//線程1
boolean stop = false;
while(!stop){
  doSomething();
}
 
//線程2
stop = 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(dǎo)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(dǎo)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(guān)鍵字會強制將修改的值立即寫入主存；

　　第二：使用volatile關(guān)鍵字的話，當線程2進行修改時，會導(dǎo)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(yīng)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(yīng)的主存地址被更新之后，然后去對應(yīng)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：

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(fù)合（多個）volatile變量的讀/寫
  }


  public long get() {
    return vl;  //單個volatile變量的讀
  }
}

假設(shè)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：

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(guān)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(guān)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：

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(shè)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(guān)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(guān)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(guān)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(yīng)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(shè)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(yīng)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(dǎo)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(jié)：

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(guān)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：

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(jié)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(jié)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(yīng)該是1000*10=10000。

　　這里面就有一個誤區(qū)了，volatile關(guān)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?？梢娦灾荒鼙ＷC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(dǎo)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(dǎo)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：

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：

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：

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(guān)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(guān)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(jié)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：

//x、y為非volatile變量
//flag為volatile變量
 
x = 2;    //語句1
y = 0;    //語句2
flag = true; //語句3
x = 4;     //語句4
y = -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(guān)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(jié)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：

//線程1:
context = loadContext();  //語句1
inited = 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(dǎo)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(dǎo)致程序出錯。

　　這里如果用volatile關(guān)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。

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