Java 并发volatile 的原理和作用
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了Java 并发volatile 的原理和作用相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
1 前言
volatile是java语言提供的一个关键字，用来修饰变量的，使用volatile修饰的变量可以保证并发安全的可见性和有序性。
volatile int i = 0; public void add() i++;
使用方法就是声明变量之前加一个volatile关键字，然后变量 i 的操作就跟我们平常的操作是一样的。
但是添加的volatile的变量，在编译之后JVM会在操作该变量的前后添加一些指令来保证可见性和有序性，具体添加了啥指令我们接下来看看。
2 volatile对可见性保证
结合之前讲的MESI缓存一致性协议，看了一些资料。大概知道volatile在JMM层次和CPU高速缓存层次是怎么确保可见性的了：使用volatile关键字修饰的共享变量，每次线程使用之前都会重新从主内存中重新读取最新的值；一旦该共享变量的值被修改了，修改它的线程比如立刻将修改后的值强制刷新回主内存。
（1）首先看一下上面的图，有工作线程A、工作线程B；假如之前工作线程A、B都是用过这个共享变量i，工作内存中都有变量副本 i = 0
（2）这个时候工作线程A要执行 i++ 操作，按照volatile关键字的特性，每次使用之前必须从主内存重新读取，所以工作线程A重新从主内存读取（执行read、load指令）得到 i = 0没有变化
（3）然后执行use指令将 i = 0 传递给工作线程，执行 i++ 操作，得到 i = 1
（4）然后执行assign指令，将 i = 1的结果赋值给工作线程，按照volatile的特性；一旦共享变量的值被修改了，需要立即强制刷新回主内存。所以在执行assign赋值更新后的之后，立马执行store、write指令将最新的值传递到主内存，并且赋值给主内存的变量。
（5）此时工作线程B需要用到共享变量 i 了，即使工作内存里面有副本，但是每次还是会重新从主内存中重新读取最新的值，这个时候读取到 i = 1了
之前我们了解过MESI一致性怎么实现可见性了，由于java内存模型建立在CPU多级缓存模型之上，所以java内存模型底层也是通过MESI一致性的协议去达到可见性的目的，java内存模型会去适配不同操作系统对MESI一致性协议的不同实现方式。
对volatile的了解就到这里了，那么大家可能有这样的疑问：
比如volatile修饰的变量，怎么让每都让它从主存读取最新数据的？
修改了之后立刻刷新会主内存这个是怎么实现的？
还有volatile我看了一些资料说是通过禁止重排序来实现有序性的，那到底是通过什么来禁止重排序的？
其实这个就涉及到一个内存屏障的概念了，其实volatile的可见性和有序性都是通过内存屏障来实现的。包括上面说的读取数据的时候强制读取主内存数据，修改数据之后强制刷新到主内存，都是有相对应的内存屏障指令对应的。还有为了实现有序性而禁止volatile前后相关的指令进行重排序，在JVM乃至操作系统都是有相应的内存屏障指令的。
3 内存屏障
3.1 什么是内存屏障
本质上也是一种指令，只不过它具有屏障的作用而已，无论是在JAVA内存模型还是CPU层次，都是有具体的指令对应的，是一种特殊的指令。这种指令具有屏障的作用，所谓屏障，也就是类似关卡，类似栅栏，具有隔离的作用。
3.2 屏障分类
- 一类是强制读取主内存，强制刷新主内存的内存屏障，叫做Load屏障和Store屏障
- 一类是禁止指令重排序的内存屏障，有四个分别叫做LoadLoad屏障、StoreStore屏障、LoadStore屏障、StoreLoad屏障
3.3 强制读取/刷新主内存的屏障
Load屏障：执行读取数据的时候，强制每次都从主内存读取最新的值
Store屏障：每次执行修改数据的时候，强制刷新回主内存。
先画图讲解一下Load屏障：
如上图所示：在工作内存的变量名、变量的值之前有一道关卡或者栅栏，导致变量 i 获取不到工作内存中的值，所以每次只好主内存重新加载咯。
再讲解一下Store屏障：
Java 并发编程：volatile的使用及其原理
Java并发编程系列：
一、volatile的作用
在《Java并发编程：核心理论》一文中，我们已经提到过可见性、有序性及原子性问题，通常情况下我们可以通过Synchronized关键字来解决这些个问题，不过如果对Synchronized原理有了解的话，应该知道Synchronized是一个比较重量级的操作，对系统的性能有比较大的影响，所以，如果有其他解决方案，我们通常都避免使用Synchronized来解决问题。而volatile关键字就是Java中提供的另一种解决可见性和有序性问题的方案。对于原子性，需要强调一点，也是大家容易误解的一点：对volatile变量的单次读/写操作可以保证原子性的，如long和double类型变量，但是并不能保证i++这种操作的原子性，因为本质上i++是读、写两次操作。
二、volatile的使用
关于volatile的使用，我们可以通过几个例子来说明其使用方式和场景。
1、防止重排序
我们从一个最经典的例子来分析重排序问题。大家应该都很熟悉单例模式的实现，而在并发环境下的单例实现方式，我们通常可以采用双重检查加锁（DCL）的方式来实现。其源码如下：
1 package com.paddx.test.concurrent; 2 3 public class Singleton { 4 public static volatile Singleton singleton; 5 6 /** 7 * 构造函数私有，禁止外部实例化 8 */ 9 private Singleton() {}; 10 11 public static Singleton getInstance() { 12 if (singleton == null) { 13 synchronized (singleton) { 14 if (singleton == null) { 15 singleton = new Singleton(); 16 } 17 } 18 } 19 return singleton; 20 } 21 }
现在我们分析一下为什么要在变量singleton之间加上volatile关键字。要理解这个问题，先要了解对象的构造过程，实例化一个对象其实可以分为三个步骤：
（1）分配内存空间。
（2）初始化对象。
（3）将内存空间的地址赋值给对应的引用。
但是由于操作系统可以对指令进行重排序，所以上面的过程也可能会变成如下过程：
（1）分配内存空间。
（2）将内存空间的地址赋值给对应的引用。
（3）初始化对象
如果是这个流程，多线程环境下就可能将一个未初始化的对象引用暴露出来，从而导致不可预料的结果。因此，为了防止这个过程的重排序，我们需要将变量设置为volatile类型的变量。
2、实现可见性
可见性问题主要指一个线程修改了共享变量值，而另一个线程却看不到。引起可见性问题的主要原因是每个线程拥有自己的一个高速缓存区——线程工作内存。volatile关键字能有效的解决这个问题，我们看下下面的例子，就可以知道其作用：
1 package com.paddx.test.concurrent; 2 3 public class VolatileTest { 4 int a = 1; 5 int b = 2; 6 7 public void change(){ 8 a = 3; 9 b = a; 10 } 11 12 public void print(){ 13 System.out.println("b="+b+";a="+a); 14 } 15 16 public static void main(String[] args) { 17 while (true){ 18 final VolatileTest test = new VolatileTest(); 19 new Thread(new Runnable() { 20 @Override 21 public void run() { 22 try { 23 Thread.sleep(10); 24 } catch (InterruptedException e) { 25 e.printStackTrace(); 26 } 27 test.change(); 28 } 29 }).start(); 30 31 new Thread(new Runnable() { 32 @Override 33 public void run() { 34 try { 35 Thread.sleep(10); 36 } catch (InterruptedException e) { 37 e.printStackTrace(); 38 } 39 test.print(); 40 } 41 }).start(); 42 43 } 44 } 45 }
直观上说，这段代码的结果只可能有两种：b=3;a=3 或 b=2;a=1。不过运行上面的代码（可能时间上要长一点），你会发现除了上两种结果之外，还出现了第三种结果：
......
b=2;a=1
b=2;a=1
b=3;a=3
b=3;a=3
b=3;a=1
b=3;a=3
b=2;a=1
b=3;a=3
b=3;a=3
......
为什么会出现b=3;a=1这种结果呢？正常情况下，如果先执行change方法，再执行print方法，输出结果应该为b=3;a=3。相反，如果先执行的print方法，再执行change方法，结果应该是 b=2;a=1。那b=3;a=1的结果是怎么出来的？原因就是第一个线程将值a=3修改后，但是对第二个线程是不可见的，所以才出现这一结果。如果将a和b都改成volatile类型的变量再执行，则再也不会出现b=3;a=1的结果了。
3、保证原子性
关于原子性的问题，上面已经解释过。volatile只能保证对单次读/写的原子性。这个问题可以看下JLS中的描述：
For the purposes of the Java programming language memory model, a single write to a non-volatile long or double value is treated as two separate writes: one to each 32-bit half. This can result in a situation where a thread sees the first 32 bits of a 64-bit value from one write, and the second 32 bits from another write.
Writes and reads of volatile long and double values are always atomic.
Writes to and reads of references are always atomic, regardless of whether they are implemented as 32-bit or 64-bit values.
Some implementations may find it convenient to divide a single write action on a 64-bit long or double value into two write actions on adjacent 32-bit values. For efficiency\'s sake, this behavior is implementation-specific; an implementation of the Java Virtual Machine is free to perform writes to long and double values atomically or in two parts.
Implementations of the Java Virtual Machine are encouraged to avoid splitting 64-bit values where possible. Programmers are encouraged to declare shared 64-bit values as volatile or synchronize their programs correctly to avoid possible complications.
这段话的内容跟我前面的描述内容大致类似。因为long和double两种数据类型的操作可分为高32位和低32位两部分，因此普通的long或double类型读/写可能不是原子的。因此，鼓励大家将共享的long和double变量设置为volatile类型，这样能保证任何情况下对long和double的单次读/写操作都具有原子性。
关于volatile变量对原子性保证，有一个问题容易被误解。现在我们就通过下列程序来演示一下这个问题：
1 package com.paddx.test.concurrent; 2 3 public class VolatileTest01 { 4 volatile int i; 5 6 public void addI(){ 7 i++; 8 } 9 10 public static void main(String[] args) throws InterruptedException { 11 final VolatileTest01 test01 = new VolatileTest01(); 12 for (int n = 0; n < 1000; n++) { 13 new Thread(new Runnable() { 14 @Override 15 public void run() { 16 try { 17 Thread.sleep(10); 18 } catch (InterruptedException e) { 19 e.printStackTrace(); 20 } 21 test01.addI(); 22 } 23 }).start(); 24 } 25 26 Thread.sleep(10000);//等待10秒，保证上面程序执行完成 27 28 System.out.println(test01.i); 29 } 30 }
大家可能会误认为对变量i加上关键字volatile后，这段程序就是线程安全的。大家可以尝试运行上面的程序。下面是我本地运行的结果：
可能每个人运行的结果不相同。不过应该能看出，volatile是无法保证原子性的（否则结果应该是1000）。原因也很简单，i++其实是一个复合操作，包括三步骤：
（1）读取i的值。
（2）对i加1。
（3）将i的值写回内存。
volatile是无法保证这三个操作是具有原子性的，我们可以通过AtomicInteger或者Synchronized来保证+1操作的原子性。
注：上面几段代码中多处执行了Thread.sleep()方法，目的是为了增加并发问题的产生几率，无其他作用。
三、volatile的原理
通过上面的例子，我们基本应该知道了volatile是什么以及怎么使用。现在我们再来看看volatile的底层是怎么实现的。
1、可见性实现：
在前文中已经提及过，线程本身并不直接与主内存进行数据的交互，而是通过线程的工作内存来完成相应的操作。这也是导致线程间数据不可见的本质原因。因此要实现volatile变量的可见性，直接从这方面入手即可。对volatile变量的写操作与普通变量的主要区别有两点：
（1）修改volatile变量时会强制将修改后的值刷新的主内存中。
（2）修改volatile变量后会导致其他线程工作内存中对应的变量值失效。因此，再读取该变量值的时候就需要重新从读取主内存中的值。
通过这两个操作，就可以解决volatile变量的可见性问题。
2、有序性实现：
在解释这个问题前，我们先来了解一下Java中的happen-before规则，JSR 133中对Happen-before的定义如下：
Two actions can be ordered by a happens-before relationship.If one action happens before another, then the first is visible to and ordered before the second.
通俗一点说就是如果a happen-before b，则a所做的任何操作对b是可见的。（这一点大家务必记住，因为happen-before这个词容易被误解为是时间的前后）。我们再来看看JSR 133中定义了哪些happen-before规则：
• Each action in a thread happens before every subsequent action in that thread.
• An unlock on a monitor happens before every subsequent lock on that monitor.
• A write to a volatile field happens before every subsequent read of that volatile.
• A call to start() on a thread happens before any actions in the started thread.
• All actions in a thread happen before any other thread successfully returns from a join() on that thread.
• If an action a happens before an action b, and b happens before an action c, then a happens before c.
翻译过来为：
- 同一个线程中的，前面的操作 happen-before 后续的操作。（即单线程内按代码顺序执行。但是，在不影响在单线程环境执行结果的前提下，编译器和处理器可以进行重排序，这是合法的。换句话说，这一是规则无法保证编译重排和指令重排）。
- 监视器上的解锁操作 happen-before 其后续的加锁操作。（Synchronized 规则）
- 对volatile变量的写操作 happen-before 后续的读操作。（volatile 规则）
- 线程的start() 方法 happen-before 该线程所有的后续操作。（线程启动规则）
- 线程所有的操作 happen-before 其他线程在该线程上调用 join 返回成功后的操作。
- 如果 a happen-before b，b happen-before c，则a happen-before c（传递性）。
这里我们主要看下第三条：volatile变量的保证有序性的规则。《Java并发编程：核心理论》一文中提到过重排序分为编译器重排序和处理器重排序。为了实现volatile内存语义，JMM会对volatile变量限制这两种类型的重排序。下面是JMM针对volatile变量所规定的重排序规则表：
| Can Reorder | 2nd operation | |||
| 1st operation | Normal Load Normal Store |
Volatile Load | Volatile Store | |
| Normal Load Normal Store |
No | |||
| Volatile Load | No | No | No | |
| Volatile store | No | No | ||
3、内存屏障
为了实现volatile可见性和happen-befor的语义。JVM底层是通过一个叫做“内存屏障”的东西来完成。内存屏障，也叫做内存栅栏，是一组处理器指令，用于实现对内存操作的顺序限制。下面是完成上述规则所要求的内存屏障：
| Required barriers | 2nd operation | |||
| 1st operation | Normal Load | Normal Store | Volatile Load | Volatile Store |
| Normal Load | LoadStore | |||
| Normal Store | StoreStore | |||
| Volatile Load | LoadLoad | LoadStore | LoadLoad | LoadStore |
| Volatile Store | StoreLoad | StoreStore | ||
（1）LoadLoad 屏障
执行顺序：Load1—>Loadload—>Load2
确保Load2及后续Load指令加载数据之前能访问到Load1加载的数据。
（2）StoreStore 屏障
执行顺序：Store1—>StoreStore—>Store2
确保Store2以及后续Store指令执行前，Store1操作的数据对其它处理器可见。
（3）LoadStore 屏障
执行顺序： Load1—>LoadStore—>Store2
确保Store2和后续Store指令执行前，可以访问到Load1加载的数据。
（4）StoreLoad 屏障
执行顺序: Store1—> StoreLoad—>Load2
确保Load2和后续的Load指令读取之前，Store1的数据对其他处理器是可见的。
最后我可以通过一个实例来说明一下JVM中是如何插入内存屏障的：
1 package com.paddx.test.concurrent; 2 3 public class MemoryBarrier { 4 int a, b; 5 volatile int v, u; 6 7 void f() { 8 int i, j; 9 10 i = a; 11 j = b; 12 i = v; 13 //LoadLoad 14 j = u; 15 //LoadStore 16 a = i; 17 b = j; 18 //StoreStore 19 v = i; 20 //StoreStore 21 u = j; 22 //StoreLoad 23 i = u; 24 //LoadLoad 25 //LoadStore 26 j = b; 27 a = i; 28 } 29 }
四、总结
总体上来说volatile的理解还是比较困难的，如果不是特别理解，也不用急，完全理解需要一个过程，在后续的文章中也还会多次看到volatile的使用场景。这里暂且对volatile的基础知识和原来有一个基本的了解。总体来说，volatile是并发编程中的一种优化，在某些场景下可以代替Synchronized。但是，volatile的不能完全取代Synchronized的位置，只有在一些特殊的场景下，才能适用volatile。总的来说，必须同时满足下面两个条件才能保证在并发环境的线程安全：
（1）对变量的写操作不依赖于当前值。
（2）该变量没有包含在具有其他变量的不变式中。
以上是关于Java 并发volatile 的原理和作用的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章