文章目录

• 前言
• 一、volatile变量的特性
• 二、volatile禁⽌指令重排规则
• 三、volatile禁⽌指令重排分析
• 四、volatile不适⽤场景
• • 4.1 volatile不适合复合操作
  • 4.2 解决⽅法
• 五、单例模式的双重锁为什么要加volatile
• 六、何时使⽤volatile
• 七、总结

前言

主要讲解volatile的相关知识，以及容易遇到的坑。

一、volatile变量的特性

保证可⻅性，不保证原⼦性：

• 当写⼀个volatile变量时，JMM会把该线程本地内存中的变量强制刷新到主内存中去；
• 这个写会操作会导致其他线程中的volatile变量缓存⽆效。

禁⽌指令重排，我们回顾⼀下，重排序需要遵守⼀定规则：

• 重排序操作不会对存在数据依赖关系的操作进⾏重排序。⽐如：a=1;b=a; 这个指令序列，由于第⼆个操作依 赖于第⼀个操作，所以在编译时和处理器运⾏时这两个操作不会被重排序。
• 重排序是为了优化性能，但是不管怎么重排序，单线程下程序的执⾏结果不能被改变。 ⽐如： a=1;b=2;c=a+b这三个操作，第⼀步（a=1)和第⼆步(b=2)由于不存在数据依赖关系， 所以可能会发⽣重排 序，但是c=a+b这个操作是不会被重排序的，因为需要保证最终的结果⼀定是c=a+b=3。

二、volatile禁⽌指令重排规则

使⽤volatile关键字修饰共享变量便可以禁⽌这种重排序。若⽤volatile修饰共享变量，在编译时，会在指令序列中 插⼊内存屏障来禁⽌特定类型的处理器重排序，volatile禁⽌指令重排序也有⼀些规则：

• 当程序执⾏到volatile变量的读操作或者写操作时，在其前⾯的操作的更改肯定全部已经进⾏，且结果已经对 后⾯的操作可⻅；在其后⾯的操作肯定还没有进⾏；
• 在进⾏指令优化时，不能将对volatile变量访问的语句放在其后⾯执⾏，也不能把volatile变量后⾯的语句放到 其前⾯执⾏。

即执⾏到volatile变量时，其前⾯的所有语句都执⾏完，后⾯所有语句都未执⾏。且前⾯语句的结果对volatile 变量及其后⾯语句可⻅。

三、volatile禁⽌指令重排分析

先看下⾯未使⽤volatile的代码：

class ReorderExample {int a = 0;boolean flag = false;public void writer() {a = 1; //1flag = true; //2}Public void reader() {if (flag) { //3int i = a * a; //4System.out.println(i);}}
}

因为重排序影响，所以最终的输出可能是0，，具体分析请参考我的上⼀篇⽂章【Java并发编程系列-基础知识（非常详细哦）】，如果引⼊volatile，我们再看⼀下代码：

class ReorderExample {int a = 0;boolean volatile flag = false;public void writer() {a = 1; //1flag = true; //2}Public void reader() {if (flag) { //3int i = a * a; //4System.out.println(i);}}
}

这个时候，volatile禁⽌指令重排序也有⼀些规则，这个过程建⽴的happens before关系可以分为两类：

• 根据程序次序规则，1 happens before 2; 3 happens before 4。

• 根据volatile规则，2 happens before 3。

• 根据happens before 的传递性规则，1 happens before 4。

上述happens before关系的图形化表现形式如下：

在上图中，每⼀个箭头链接的两个节点，代表了⼀个happens before 关系。⿊⾊箭头表示程序顺序规则；橙⾊箭 头表示volatile规则；蓝⾊箭头表示组合这些规则后提供的happens before保证。
这⾥A线程写⼀个volatile变量后，B线程读同⼀个volatile变量。A线程在写volatile变量之前所有可⻅的共享变量， 在B线程读同⼀个volatile变量后，将⽴即变得对B线程可⻅。

四、volatile不适⽤场景

4.1 volatile不适合复合操作

下⾯是变量⾃加的示例：

public class volatileTest {public volatile int inc = 0;public void increase() {inc++;}public static void main(String[] args) {final volatileTest test = new volatileTest();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) //保证前⾯的线程都执⾏完Thread.yield();System.out.println("inc output:" + test.inc);}
}

测试输出：

inc output:8182

因为inc++不是⼀个原⼦性操作，可以由读取、加、赋值3步组成，所以结果并不能达到10000。

4.2 解决⽅法

采⽤synchronized：

public class volatileTest1 {public int inc = 0;public synchronized void increase() {inc++;}public static void main(String[] args) {final volatileTest1 test = new volatileTest1();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) //保证前⾯的线程都执⾏完Thread.yield();System.out.println("add synchronized, inc output:" + test.inc);}
}

采⽤Lock：

public class volatileTest2 {public int inc = 0;Lock lock = new ReentrantLock();public void increase() {lock.lock();inc++;lock.unlock();}public static void main(String[] args) {final volatileTest2 test = new volatileTest2();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) //保证前⾯的线程都执⾏完Thread.yield();System.out.println("add lock, inc output:" + test.inc);}
}

采⽤AtomicInteger：

public class volatileTest3 {public AtomicInteger inc = new AtomicInteger();public void increase() {inc.getAndIncrement();}public static void main(String[] args) {final volatileTest3 test = new volatileTest3();for(int i=0;i<10;i++){new Thread(){public void run() {for(int j=0;j<100;j++)test.increase();};}.start();}while(Thread.activeCount()>1) //保证前⾯的线程都执⾏完Thread.yield();System.out.println("add AtomicInteger, inc output:" + test.inc);}
}

三者输出都是1000，如下：

• add synchronized, inc output:1000
• add lock, inc output:1000
• add AtomicInteger, inc output:1000

五、单例模式的双重锁为什么要加volatile

先看⼀下单例代码：

public class Model {private static volatile Model m_model = null;// 避免通过new初始化对象private void model() {}public void beating() {System.out.println("打⾖⾖");};public static Model getInstance() { //1if (null == m_model) { //2synchronized(Model.class) { //3if (null == m_model) { //4m_model = new Model(); //5}}}return m_model; //6}
}

在并发情况下，如果没有volatile关键字，在第5⾏会出现问题。m_model = new Model();可以分解为3⾏伪 代码：

• a. memory = allocate() //分配内存
• b. ctorInstanc(memory) //初始化对象
• c. instance = memory //设置instance指向刚分配的地址

上⾯的代码在编译运⾏时，可能会出现重排序从a-b-c排序为a-c-b。在多线程的情况下会出现以下问题。当线程A在 执⾏第5⾏代码时，B线程进来执⾏到第2⾏代码。假设此时A执⾏的过程中发⽣了指令重排序，即先执⾏了a和c， 没有执⾏b。那么由于A线程执⾏了c导致instance指向了⼀段地址，所以B线程判断instance不为null，会直接跳到 第6⾏并返回⼀个未初始化的对象。

六、何时使⽤volatile

⼤家对volatile变量的学习，关于重排序的规则，这个仅做了解即可，更重要的是掌握它的正常使⽤场景。那对于 锁和volatile，我们什么时候才会去使⽤volatile呢？我们先回顾⼀下volatile和锁的区别：

加锁机制既可以保证可⻅性，⼜可以保证原⼦性，⽽volatile变量只能保证可⻅性。

也就是我们只在可⻅性上，才去使⽤volatile变量，⽐如在多线程情况下，我们需要对某个操作的完成、发⽣中断 或者状态的标志，就可以声明为volatile，因为volatile可以保证该变量在所有线程的可⻅性。但是如果对于稍微复 杂的操作，⽐如i++等复合操作，就不要使⽤volatile变量，如果你想通过volatile的“禁⽌指令重排规则”来保证 volatile变量的前后变量代码的顺序性，建议你不要这样做，⼀⽅⾯有很多坑，另⼀⽅别⼈也不理解你的代码，⽐ 如我示例中的“volatile禁⽌指令重排分析”，即使我讲了⼀遍，我⾃⼰都很容易忘，你还指望别⼈能理解么？如果你 偏要这样去“炫技”，那你就是给别⼈埋坑了！就好⽐⼀⾏很简单的代码，有位程序员偏要⽤“&|”操作，结果埋个⼤坑，给部⻔造成S级的线上事故。
下⾯是《Java并发编程实战》的描述，我摘抄⼀下，其实有第⼀条不理解，仅做记录：

当且仅当满⾜以下所有条件时，才应该使⽤volatile变量：

• 对变量的写操作不依赖变量的当前值，或者你能确保只有单个线程更新变量的值。
• 该变量不会与其它状态变量⼀起纳⼊不可变的条件中。
• 在访问变量时不需要加锁。

七、总结

volatile可以保证线程可⻅性且提供了⼀定的有序性，但是⽆法保证原⼦性。在JVM底层volatile是采⽤“内存屏障”来 实现的。观察加⼊volatile关键字和没有加⼊volatile关键字时所⽣成的汇编代码发现，加⼊volatile关键字时，会多 出⼀个lock前缀指令，lock前缀指令实际上相当于⼀个内存屏障（也称内存栅栏），内存屏障会提供3个功能：

• 它确保指令重排序时不会把其后⾯的指令排到内存屏障之前的位置，也不会把前⾯的指令排到内存屏障的后 ⾯；即在-执⾏到内存屏障这句指令时，在它前⾯的操作已经全部完成；
• 它会强制将对缓存的修改操作⽴即写⼊主存；
• 如果是写操作，它会导致其他CPU中对应的缓存⾏⽆效

最后也讲解了volatile不适⽤的场景，以及解决的⽅法，并解释了单例模式为何需要使⽤volatile。