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文章目录
- 1. volatile关键字介绍
- 2. volatile变量可见性问题
- 3. volatile 变量可见性保证
- 4. volatile 并不总是够用的
- 5. volatile怎样才能具备原子性？
- 6. volatile的性能考虑
- 7. 总结
1. volatile关键字介绍
在阅读本文的时候，需要有Java内存模型相关基础知识，如果不了解Java内存模型的朋友，请点击这里先了解Java内存模型，有助于您更好的理解本文对volatile的讲解。
Java volatile关键字用于将 Java 变量标记为“存储在主内存中”。更准确地说，这意味着线程每次读取 volatile 变量都将从计算机的主内存中读取，而不是从 CPU 寄存器中读取，并且每次写入的 volatile 变量都将被写入主内存，而不仅仅是 CPU 寄存器。
实际上，从 Java 5 开始，volatile关键字就起到保证 volatile 变量可以写入主内存和从主内存读取。
2. volatile变量可见性问题
volatile关键字保证了跨线程变量更改的可见性。这听起来可能有点抽象，所以让我详细说明一下。
在线程对non-volatile 变量进行操作的多线程应用程序中，出于性能原因，每个线程在处理变量时都可以将变量从主内存复制到CPU寄存器中。如果您的计算机包含多个CPU，则每个线程可能在不同的CPU上运行。这意味着，每个线程都可以将变量复制到不同CPU的CPU寄存器中。如下图所示：
对于non-volatile 变量，无法保证 Java 虚拟机 (JVM) 何时将数据从主内存读取到 CPU 寄存器，或将数据从 CPU 寄存器写入主内存。这可能会导致几个问题，我将在以下部分中解释这些问题。
想象一下这样一种情况，两个或多个线程可以访问一个共享对象，该对象包含如下声明的counter变量：
public class SharedObject {
public int counter = 0;
}
想象一下，只有线程 1 会增加counter变量，但线程 1 和线程 2 都可能counter不时读取变量。
如果counter变量未声明为volatile，则无法保证counter变量的值何时从CPU寄存器写回主存储器。这意味着CPU寄存器中的counter变量值可能与主存储器中的不同。这种情况如下所示：
线程看不到变量的最新值，因为它尚未被另一个线程写回主内存，这种问题称为“可见性”问题，即一个线程的更新对其他线程表现为不可见。
3. volatile 变量可见性保证
Java volatile关键字旨在解决变量可见性问题。通过声明counter变量为volatile，可以促使对counter变量的所有写入都将立即写回主内存。此外，counter变量的所有读取都将直接从主存储器中读取。
以下是counter变量的volatile声明：
public class SharedObject {
public volatile int counter = 0;
}
因此，声明了volatile的变量可以保证对该变量的其他写入线程的可见性。
在上面给出的场景中，一个线程（T1）修改counter，另一线程（T2）读取counter（但从不修改），为counter变量声明volatile足以保证T2线程对计数器变量写入的可见性。
然而，如果T1和T2都在递增counter变量，那么仅仅为counter变量声明volatile却是不够的，无法保证counter变量最终的值是准确的。
3.1 Full volatile完全易失性可见性保证
实际上，Java volatile的可见性保证超出了volatile变量本身。能见度保证如下：
如果线程A写入一个volatile变量，而线程B随后读取了相同的volatile参数，那么线程A在写入volatile之前可见的所有变量在线程B读取volatile后也将可见。
如果线程A读取了一个volatile变量，那么线程A在读取volatile时可见的所有变量也将从主存中重新读取。
让我用一个代码示例来说明这一点：
public class MyClass {
private int years;
private int months
private volatile int days;
public void update(int years, int months, int days){
this.years = years;
this.months = months;
this.days = days;
}
}
udpate()方法写入三个变量，其中只有days变量是声明了volatile的。
完全易失性（Full volatile）可见性保证意味着，当一个值被写入days时，线程可见的所有变量也会被写入主存。这意味着，当一个值写入days时，years和months的值也会写入主存。
在读取years, months和days的值时，你可以这样做：
public class MyClass {
private int years;
private int months
private volatile int days;
public int totalDays() {
int total = this.days;
total += months * 30;
total += years * 365;
return total;
}
public void update(int years, int months, int days){
this.years = years;
this.months = months;
this.days = days;
}
}
请注意，totalDays()方法首先将days的值读入total变量。在读取days的值时，years和months的值也会被读取到主存储器中。因此，您可以保证按照上述读取顺序看到最新的 years, months 和days值。
3.2 指令重新排序挑战
出于性能原因，Java VM 和 CPU 可以对程序中的指令进行重新排序，只要指令的语义保持不变。例如，查看以下指令：
int a = 1;
int b = 2;
a++;
b++;
这些指令在执行时，可以重新排序为以下顺序，而不会丢失程序的语义含义：
int a = 1;
a++;
int b = 2;
b++;
然而，当其中一个变量声明了volatile时，指令重新排序会带来挑战。让我们看看本文前面示例中的MyClass类：
public class MyClass {
private int years;
private int months
private volatile int days;
public void update(int years, int months, int days){
this.years = years;
this.months = months;
this.days = days;
}
}
一旦update()方法向days写入值，新写入的years和month值也会写入主存。但是，如果Java虚拟机对指令进行了重新排序，如下所示：
public void update(int years, int months, int days){
this.days = days;
this.months = months;
this.years = years;
}
修改days变量时，months和years的值仍会写入主内存，但这次是在新值写入months和years之前发生的。因此，新值不能正确地对其他线程可见。重新排序的指令的语义含义发生了变化。
Java为这个问题提供了一个解决方案，请继续阅读下一节。
3.3 volatile 的 Happens-Before 保证
为了应对指令重新排序的挑战，Java volatile关键字除了提供可见性保证外，还提供了“happens-before”的保证。担保前发生保证：
如果读取/写入最初发生在写入volatile变量之前，则不能将对其他变量的读取和写入重新排序为在写入volatile变量之后发生。
在写入volatile变量之前进行的读/写操作保证会发生在写入volatile变量之前。请注意，例如，对位于写入volatile变量之后的其他变量的读取/写入仍然有可能在写入volatile之前重新排序。只是不是反过来。从后到前是允许的，但从前到后是不允许的。
如果读取/写入最初发生在读取volatile变量之后，则不能将对其他变量的读取和写入重新排序为在读取volable变量之前发生。请注意，在读取volatile变量之前发生的其他变量的读取可能会被重新排序为在读取volable变量之后发生。只是不是反过来。从之前到之后是允许的，但从之后到之前是不允许的。
4. volatile 并不总是够用的
即使volatile关键字保证对volatile变量的所有读取都直接从主存读取，对volatile变量的所有写入都直接写入主存，但仍然存在仅声明一个volatile变量是不够的情况。
在前面解释的只有线程 1 写入共享变量counter的情况下，声明volatile的counter变量足以确保线程 2 始终看到最新的写入值。
事实上，如果写入volatile变量的新值不依赖于其先前的值，多个线程甚至可以写入共享变量，并且仍然将正确的值存储在主内存中。换句话说，如果将值写入共享volatile变量的线程不需要先读取其值来找出其下一个值。
一旦线程需要先读取volatile变量的值，然后根据该值为共享volatile变量生成新值，volatile变量就不足以保证正确的可见性。读取volatile 变量和写入新值之间的短暂时间间隔会产生竞争条件 ，其中多个线程可能会读取相同的变量值volatile，为变量生成新值，并在将值写回主内存时覆盖彼此的值。
多个线程增加同一个counter的情况正是volatile变量将表现不足的情况。以下部分将更详细地解释这种情况。
想象一下，如果线程1将值为0的共享counter变量读取到其CPU寄存器中，将其增量为1，而不是将更改后的值写回主内存。然后，线程2可以从主内存中读取相同的counter变量，其中变量的值仍然是0，并将其读取到自己的CPU寄存器中。然后，线程2也可以将counter递增到1，并且也不会将其写回主内存。这种情况如下图所示：
线程1和线程2现在几乎不同步。共享counter变量的实际值应该是2，但每个线程在其CPU寄存器中的变量值都是1，而在主存中的值仍然是0。真是一团糟！即使线程最终将共享counter变量的值写回主内存，该值也会出错。
5. volatile怎样才能具备原子性？
正如我之前提到的，如果两个线程都在读写共享变量，那么使用volatile关键字是不能保证的该共享变量的原子性的。在这种情况下，您需要使用synchronized来保证变量的读写是原子性的。
作为同步块的替代方案，您还可以使用java.util.concurrent包中的许多原子数据类型之一。例如，AtomicLong或AtomicReference或其中之一。
如果只有一个线程读取和写入volatile变量的值，而其他线程只读取该变量，那么读取线程可以保证看到写入volatile变量的最新值。如果不将变量设为 volatile，就无法保证这一点，这就是volatile的可见性特性。
6. volatile的性能考虑
读取和写入volatile变量会导致变量被读取或写入主内存。从主存储器读取和写入比访问CPU寄存器更昂贵。访问volatile变量还可以防止指令重新排序，这是一种正常的性能增强技术。因此，只有在确实需要强制变量可见性时，才应该使用volatile变量。
在实践中，CPU寄存器值通常只会写入CPU L1缓存，这相当快。虽然不如写入CPU寄存器快，但仍然很快。从L1缓存到L2和L3缓存，再到主存储器（RAM）的同步是由与CPU不同的芯片完成的（据我所知），因此CPU没有负担。
即便如此，在实际需要时，尽管只使用volatile变量，这也将迫使您详细了解volatile变量的工作原理！
7. 总结
通过本文对volatile关键字的剖析，我们详细了解了volatile的工作原理。
总体说来，volatile具有如下三大特性：
7.1 可见性
当多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了这个变量的值，其他线程能够立即看得到修改的值
7.2 不具备原子性
两个线程都在读写共享变量，那么使用volatile关键字是不能保证的该共享变量的原子性的。在这种情况下，您需要使用synchronized来保证变量的读写是原子性的。
7.3 有序性
有序性是指的volatile变量会禁止前后语句发生指令重排序。因此多线程环境下要保证指令执行的有序性（禁止指令被JVM出于性能优化而采取重排序机制），必须要使用volatile关键字。