Java并发（3） 聊聊Volatile

引言

谈到volatile关键字，大多数开发者都有一定了解，可以说是开发者非常熟悉，深入之后又非常陌生的一个关键字。相当于轻量的synchronized，也叫轻量级锁，与synchronized相比性能上开销较少，同时又具备了可见性、有序性以及部分原子性，是Java并发需中非常重要的一个关键字。这篇文章我们将从volatile底层原理上来深入剖析他是怎么保证可见性、有序性以及部分原子性的，同时也会总结一些volatile关键字的典型应用场景。

volatile的“部分”原子性

所谓原子性，就是说一个操作是一个完整的整体，在其他线程看来这个操作要么未开始，要么已完成，不会看到中间的操作过程，跟事务有点相似。

那为什么说volatile只具有“部分”原子性，因为从本质上来说volatile是不具备原子性的，他修饰的只是单个变量，大部分情况下单个变量的读取和赋值本身就具有原子性，但有一个例外，就是32位Java虚拟机下的long/double型变量操作。

在32位Java虚拟机下，long/double型变量的读写操作会分为两部分，先读写高32位，在读写低32位，或者相反，这样如果没有将变量声明为volatile变量，在多线程读写时就有可能导致结果不可预知，因为对单个long/double型变量的读写并不是一个整体，也就是不具备原子性，只有使用volatile修饰之后，对单个long/double型变量的读写才具备了原子性的特点。在64位Java虚拟机下，long/double型变量读写本身就具有原子性，如果只是为了简单的读写就不需要使用volatile修饰。

需要明白的是volatile仅仅只保证变量的读和写是原子性操作，并不能保证对变量的复合操作也是原子性的，这是需要注意的地方，最为经典的场景就是对单个变量进行自增和自减。

private volatile static int increaseI = 0;

public static void main(String[] args) {
	for (int i = 0; i < 100000; i++) {
		Thread thread = new Thread(new Runnable() {
			
			@Override
			public void run() {
				
				increaseI++;
			}
		}, String.valueOf(i));
		thread.start();
	}
	
	while(Thread.activeCount()>1)  
		Thread.yield();
	System.out.println(increaseI);
}

如果大家经过测试，会发现很多时候，打印出来的结果不是100000。这就是因为volatile修饰的变量只能保证变量的读写是原子性的，而increaseI++是一个复合操作，他可以简单分为：

var = increaseI; //步骤1：将increaseI的值加载到寄存器var

var = var + 1;//步骤2：将寄存器var的值增加1

increaseI = var;//步骤3：将寄存器var的值写入increaseI

volatile只能保证第一步和第三部单个操作的原子性，并不能保证整个自增和自减过程的原子性，也就是说volatile修饰的increaseI++并不是原子操作。下图也可以说明这个问题：

volatile的可见性

关于可见性，在前面的《Java并发（2）- 聊聊happens-before》一文中说过，为了提高操作效率，共享变量的读写都是在线程的本地内存中进行的，当对变量进行更新后，并不会及时将变量的结果刷新回主内存，在多线程环境下，其他线程就不会及时读取到最新的变量值。我们可以从下面的代码来分析这一点。

private static boolean flag = false;
	
private static void refershFlag() throws InterruptedException {
	
	Thread threadA = new Thread(new Runnable() {
		
		@Override
		public void run() {
			while (!flag) {
				//do something
			}
		}
	});
	
	Thread threadB = new Thread(new Runnable() {
		
		@Override
		public void run() {
			
			flag = true;
		}
	});
	
	DateFormat dateFormat  = new SimpleDateFormat("yyyy/MM/dd HH:mm:ss");
	
	System.out.println("threadA start" + dateFormat.format(new java.util.Date()));
	threadA.start();
	
	Thread.sleep(100);
	
	threadB.start();
	
	threadA.join();
	System.out.println("threadA end" + dateFormat.format(new java.util.Date()));
}

//threadA start2018/07/25 16:48:41

按正常逻辑来说B线程更新变量flag后，A线程应该马上退出，但实际上很多时候B线程并不会立刻退出，这是因为虚拟机考虑到共享变量没有采用volatile修饰，默认该变量不需要多线程访问，于是做了优化，导致flag共享变量没有及时刷新回主内存，同时其他线程也没有及时去主内存读取的结果。那我们给flag变量加上volatile标示会怎么样呢？

private volatile static boolean flag = false;

//threadA start2018/07/25 16:48:59
//threadA end2018/07/25 16:48:59

可以看到A线程马上退出了，从这点可以看出volatile的可见性。

volatile的有序性

JMM在happens-before规则的基础上保证了单线程和正确同步多线程的有序性，其中就有一条volatile变量规则：对一个volatile变量的写操作happen—before后面对该变量的读操作。

这其中有两点要注意：第一点，针对同一个volatile变量的写、读操作之间才有happens-before关系；第二点，有时间上的先后顺序，必须是写操作happen—before读操作。在《Java并发（2）- 聊聊happens-before》重排序的例子中就很好的说明了volatile禁止重排序的特性。

public class AAndB {

	int x = 0;
	int y = 0;
	int a = 0;
	int b = 0;
	
	public void awrite() {

		a = 1;
		x = b;
	}
	
	public void bwrite() {

		b = 1;
		y = a;
	}
}

public class AThread extends Thread{

	private AAndB aAndB;
	
	public AThread(AAndB aAndB) {
		
		this.aAndB = aAndB;
	}
	
	@Override
	public void run() {
		super.run();
		
		this.aAndB.awrite();
	}
}

public class BThread extends Thread{

	private AAndB aAndB;
	
	public BThread(AAndB aAndB) {
		
		this.aAndB = aAndB;
	}
	
	@Override
	public void run() {
		super.run();
		
		this.aAndB.bwrite();
	}
}

private static void testReSort() throws InterruptedException {

	AAndB aAndB = new AAndB();

	for (int i = 0; i < 10000; i++) {
		AThread aThread = new AThread(aAndB);
		BThread bThread = new BThread(aAndB);

		aThread.start();
		bThread.start();

		aThread.join();
		bThread.join();

		if (aAndB.x == 0 && aAndB.y == 0) {
			System.out.println("resort");
		}

		aAndB.x = aAndB.y = aAndB.a = aAndB.b = 0;

	}

	System.out.println("end");
}

当A线程和B线程都出现了重排序可能会打印出resort，但将变量都变为volatile变量后便不会再出现这种状况。

volatile的两个典型使用场景

1 用来标示状态量。
状态量标示就是通过一个boolean类型变量来判断逻辑是否需要执行。就是上面volatile的可见性中的代码：

Thread threadA = new Thread(new Runnable() {
	
	@Override
	public void run() {
		while (!flag) {
			//do something
		}
	}
});

Thread threadB = new Thread(new Runnable() {
	
	@Override
	public void run() {
		
		flag = true;
	}
});

如果使用synchronized或者锁写法上将会比较复杂，但如果用volatile来修饰变量就很好的解决了这个问题，保证了状态量的及时刷新回主内存同时其他线程也会强制更新。

2 double-check问题
double-check问题应该是volatile使用最多的场景了。如下代码所示：

public class DoubleCheck {

	private volatile static DoubleCheck instance = null;
	
	private DoubleCheck() {
		
	}
	
	public static DoubleCheck getInstance() {
		
		if (null == instance) {   //步骤一
			synchronized (DoubleCheck.class) {
				if (null == instance) {   //步骤二
					instance = new DoubleCheck();   //步骤三
				}
			}
		}
		return instance;
	}
	
	public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

		DoubleCheck doubleCheck = DoubleCheck.getInstance();
	}
}

代码中步骤三并不是原子性的，和之前的自增有点类似，可以分为三步：
3.1 为DoubleCheck分配内存地址 alloc memory address
3.2 初始化对象DoubleCheck init DoubleCheck
3.3 将引用地址指向instance instance > memory address
在CPU看来3.2和3.3并不存在依赖关系，是有可能会重排序的，如果将3.2和3.3重排序：

线程2在步骤一时判断instance不为空的情况下，实际上对象并没有初始化，3.2并没有执行。导致接下来使用对象发生错误。此时使用volatile修饰instance变量就可以防止3.2和3.3重排序，这样就保证了多线程访问时代码的正确性。
我们可以查看到汇编代码中在使用volatile关键字后在步骤三中多了lock指令来保证当前执行的有序性：
不使用volatile：

使用volatile

volatile背后的原理

在DoubleCheck的汇编代码中我们看到加了volatile关键字后汇编代码中多了一行lock指令，那么这个指令代表什么意思呢？
lock指令有两个功能：

1. 对CPU总线和高速缓存加锁，加锁之后执行后面的指令，然后释放锁时将高速缓存中的数据刷新回主内存。
2. lock会让其他CPU高速缓存中的缓存行失效，其他CPU读取时必须要从主内存加载最新数据。
   简单来说就是lock指令可以实现缓存一致性。通过lock指令的这两个功能，我们就可以很简单的理解当共享变量flag用volatile修饰后，每次更新flag的值都会导致缓存行的数据强制刷新最新值到主内存，volatile变量之前的数据也会被刷新回主内存。同时其他线程必须到主内存读取最新flag的值。这样就实现了共享变量的可见性以及有序性。
   
   
   参考资料：
   《深入理解Java虚拟机》
   《Java并发编程的艺术》