這是java多線程第三篇:
上一篇《java多線程—記憶體模型》已經講解了java線程中三特征以及happens-before 原則，這一篇主要講解一下volatile的原理以及應用，想必看完這一篇之後，你會對volatile的應用原理以及使用邊界會有更深刻的認知。本篇主要内容：
volatile 讀寫同步原理
volatile重排序原則
volatile應用
關鍵字volatile是jvm提供的輕量級的同步機制，但它并不容易了解，而且在多數情況下用不到，被多數開發者抛棄并采用synchronized代替，synchronized屬于重度鎖，如果你對性能有高的要求，那麼同等情況下，變量聲明volatile會減小更少的同步開銷。
在介紹之前，我們先抛出2個問題：
1、volatile究竟是如何保證共享變量的同步的？
2、i++操作為何對虛拟機來說不是原子操作？
一、volatile 讀寫同步原理
對變量進行volatile聲明以後，會有以下特征:
1、可見性。 保證此變量對所有線程是可見的。
2、原子性 。隻對任意單個volatile變量的讀/寫具有原子性(注意不是所有)。
3、有序性。被volatile聲明過的變量會禁止指令重排序優化
happen-before 保證可見性
volatile變量的寫-讀可以實作線程之間的通信。happens-before是java記憶體模型向我們提供的記憶體可見性保證，這也就是我們第一個問題的解答，volatiel如何保證對共享變量同步的。
我們先回憶一下happens-before原則(我們隻說和其相關的)：
程式次序法則：如果在程式中，所有動作 A 出現在動作 B 之前，則線程中的每動作 A 都 happens-before 于該線程中的每一個動作 B。
Volatile 變量法則：對 Volatile 域的寫入操作 happens-before 于每個後續對同一 Volatile 的讀操作。
傳遞性：如果 A happens-before 于 B，且 B happens-before C，則 A happens-before C。
我們通過一個示例來說明這些規則的應用:
public class VolatileTest {
private int a =0;
private volatile int b=0;
public void write(){
a = 1; //1
b = 2; //2
}
public void read(){
int i = b; //3
int j = a; //4
}
}
比如現在有線程A和B,分别調取write和read方法。
第一種情況:
線程A先執行write方法之後，線程B執行read方法。那麼:
1、基于程式次序法則。1 happens-before 2; 3 happens-before 4
2、基于volatile原則。2 happens-before 3；
3、基于傳遞性原則。因為 1 happens-before 2，2 happens-before 3，3 happens-before 4。那麼可以推斷出 1 happens-before 4,2 happens-before 4。
此種情況下，我們可以認定此時線程B中可以讀取到 線程A中寫入的 a和b的值的。(a值沒用聲明volatile依然可以讀取到，這個為何我們後面講)
第二種情況:
線程B先執行read方法，之後線程A執行write方法。
1、基于程式次序法則。3 happens-before 4; 1 happens-before 2
2、基于volatile原則。無；
3、基于傳遞性原則。無傳遞；
此種情況下，我們可以此時認定線程B中沒有讀取到線程A中寫入的a和b的值。
通過上面的分析我們可以對volatiel變量如此定義:
當write一個volatile變量時，JMM會把該線程對應的本地記憶體中的共享變量重新整理到主記憶體。
當read一個volatile變量時，JMM會把該線程對應的本地記憶體置為無效。線程接下來将從主記憶體中讀取共享變量。
對于第一種情況，我們看上述示例如何write和read的：
那麼讀到這裡，有一個困惑：上述變量a并沒有聲明為volatile ，為何能被重新整理到主記憶體中，難道不會被處理器重排序麼？
二、volatile限制重排序
上述中我們講到volatile 中有一個特性，有序性，防止jvm對其重排序，那麼究竟是如何做的，我們看一下。
重排序分為編譯器重排序和處理器重排序。為了實作volatile記憶體語義，jvm會分别限制這兩種類型的重排序類型。
編譯器重排序
針對編譯器制定的volatile重排序規則:
第一個操作
第二個操作
普通讀/寫
volatile讀
volatile寫
普通讀/寫
NO
volatile讀
NO
NO
NO
volatile寫
NO
NO
上述表中，NO表示jvm不可以重排序，保持目前順序。
比如第一行第三列中表示：第一個操作是變量的普通讀寫，第二個操作是volatile聲明的變量寫操作，那麼此時對于操作1和操作2是不可以重排序的，保持目前順序。
就好比上述示例中a 和b變量，滿足此種情況，a和b的操作順序不變。
上述規則用文字描述:
當第二個操作是volatile寫時，不管第一個操作是什麼，都不能重排序。這個規則確定volatile寫之前的操作不會被編譯器重排序到volatile寫之後。
當第一個操作是volatile讀時，不管第二個操作是什麼，都不能重排序。這個規則確定volatile讀之後的操作不會被編譯器重排序到volatile讀之前。
當第一個操作是volatile寫，第二個操作是volatile讀時，不能重排序。
注意，jvm隻保證2個操作保持如此規則，不能延伸到2個以上的操作上。
處理器重排序
為了實作上述規則，jvm編譯器在生成位元組碼的時候，會在指令序列中插入記憶體屏障來禁止特定類型的處理器重排序。
在每個volatile寫操作的前面插入一個StoreStore屏障。
在每個volatile寫操作的後面插入一個StoreLoad屏障。
在每個volatile讀操作的前面插入一個LoadLoad屏障。
在每個volatile讀操作的後面插入一個LoadStore屏障。
如此可以保證在任意處理器平台，任意的程式中都能得到正确的volatile重排序規則實作。
總結
volatile防止重排序，有什麼作用？
happens-before是java記憶體模型向我們提供的記憶體可見性保證；而volatile的禁止重排序規則，包括volatile的編譯器重排序規則和volatile的記憶體屏障插入政策，是jvm用來實作happens-before的方式。
比如上述程式中，根據happens-before的程式順序規則：1 happens-before 2 ；3 happens-before 4.
而後根據volatile規則：2 happens-before 3. 如此操作 1、2、3、4的順序得以延續。
也就是說volatile的禁止重排序規則，確定上述happens-before順序。
三、應用
i++ 不是原子
上述原理介紹中，我們有說volatile隻對隻對任意單個volatile變量的讀/寫具有原子性，比如變量a的指派操作，可以為原子的，但變量a++不為原子的，我們看個示例:
public class Test {
private volatile int count;
public void increCount(){
count++;
}
public void setCount(int count ){
this.count=count;
}
}
我們用javap 看下increCount的編譯指令：
我看紅色圈中的部分，increCount被分解了4個指令來操作，而 setCount隻有1個指令來處理(原子的)。我們用代碼的方式，increCount方法可以等價于以下：
public void increCount(){
// count++;
int tmp =getCount();
tmp=tmp+1;
setCount(tmp);
}
是以說volatile隻對隻對任意單個volatile變量的讀/寫具有原子性,而i++實際上它是一個由讀取－修改－寫入操作序列組成的組合操作，屬于多個操作，是以不具備原子性。
volatile 應用原則
要使 volatile 變量提供理想的線程安全，必須同時滿足下面兩個條件：
對變量的寫操作不依賴于目前值。
該變量沒有包含在具有其他變量的不變式中。
也就是說被寫入 volatile 變量的這些有效值獨立于任何程式的狀态，包括變量的目前狀态。
是以隻有在狀态真正獨立于程式内其他内容時才能使用 volatile —— 這條規則能夠避免将這些模式擴充到不安全的用例。
應用示例
1、指派操作
上述 increCount中屬于依賴目前count值的應用了，而setCount屬于沒有依賴目前值。是以後者屬于線程安全。
2、線程取消
對一個線程取消或者中斷的時候，有人會采用interrupted方法來中斷，如果維護一個volatile變量來為何，無論外部線程如何調用，總能保證對目前線程的立即可見性。
public class CancleThread implements Runnable{
private volatile boolean cancle = false;
public void shutdown(){
this.cancle=true;
}
public void run() {
while (!cancle){
//.....doSomeThing
}
}
}
當想終止這個線程的操作的時候，調用shutdown方法會比較安全。
通過以上原理和應用介紹，想必對于volatile不會那麼陌生了，掌握原理，了解使用邊界，讓你的程式性能更高，可讀性更強。我們如果嚴格遵循 volatile 的使用條件 —— 即變量真正獨立于其他變量和自己以前的值 —— 在某些情況下可以使用 volatile 代替 synchronized 來簡化代碼。
-----------------------------------------------------------------------------
想看更多有趣原創的技術文章，掃描關注公衆号。
關注個人成長和遊戲研發，推動國内遊戲社群的成長與進步。