引言:
"Java 語言提供了一種稍弱的同步機制,即 volatile 變量.用來確定将變量的更新操作通知到其他線程,保證了新值能立即同
步到主記憶體,以及每次使用前立即從主記憶體重新整理. 當把變量聲明為volatile類型後,編譯器與運作時都會注意到這個變量是共享的."
正文:
1.初識 volatile關鍵字
在java線程并發進行中，有一個關鍵字volatile的使用目前存在很大的混淆，以為使用這個關鍵字，在進行多線程并發處理的時候就可以萬事大吉。Java語言是支援多線程的，為了解決線程并發的問題，在語言内部引入了 同步塊 和 volatile 關鍵字機制。
1). synchronized
同步塊大家都比較熟悉，通過 synchronized 關鍵字來實作，所有加上synchronized 和 塊語句，在多線程通路的時候，同一時刻隻能有一個線程能夠用synchronized 修飾的方法 或者 代碼塊。
2). volatile
volatile 一種稍弱的同步機制.用來確定将變量的更新操作通知到其他線程,保證了新值能立即同步到主記憶體,以及每次使用前立即從主記憶體重新整理. 當把變量聲明為volatile類型後,編譯器與運作時都會注意到這個變量是共享的,注意volatile不能保證原子性,是線程不安全的.
下面看一個例子，我們實作一個計數器，每次線程啟動的時候，會調用計數器inc方法，對計數器進行加一
public class Test {
public volatile int inc = 0;
public void increase() {
inc++;
}
public static void main(String[] args) {
final Test test = new Test();
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) //保證前面的線程都執行完
Thread.yield();
System.out.println(test.inc);
}
}
運作結果:Counter.count=995
實際運算結果每次可能都不一樣，本機的結果為：運作結果:Counter.count=995，可以看出，在多線程的環境下，Counter.count并沒有期望結果是1000.
下面我們分析一下原因:
在 java 垃圾回收整理一文中，描述了jvm運作時刻記憶體的配置設定。其中有一個記憶體區域是jvm虛拟機棧，每一個線程運作時都有一個線程棧，線程棧儲存了線程運作時候變量值資訊。當線程通路某一個對象時候值的時候，首先通過對象的引用找到對應在堆記憶體的變量的值，然後把堆記憶體變量的具體值load到線程本地記憶體中，建立一個變量副本，之後線程就不再和對象在堆記憶體變量值有任何關系，而是直接修改副本變量的值，在修改完之後的某一個時刻（線程退出之前），自動把線程變量副本的值回寫到對象在堆中變量。這樣在堆中的對象的值就産生變化了。下面一幅圖
描述這寫互動
read and load 從主存複制變量到目前工作記憶體
use and assign 執行代碼，改變共享變量值
store and write 用工作記憶體資料重新整理主存相關内容
其中use and assign 可以多次出現,但是這一些操作并不是原子性，也就是 在read load之後，如果主記憶體count變量發生修改之後，線程工作記憶體中的值由于已經加載，不會産生對應的變化，是以計算出來的結果會和預期不一樣.
對于volatile修飾的變量，jvm虛拟機隻是保證從主記憶體加載到線程工作記憶體的值是最新的.
例如假如線程1，線程2 在進行read,load 操作中，發現主記憶體中count的值都是5，那麼都會加載這個最新的值
線上程1堆count進行修改之後，會write到主記憶體中，主記憶體中的count變量就會變為6
線程2由于已經進行read,load操作，在進行運算之後，也會更新主記憶體count的變量值為6
導緻兩個線程及時用volatile關鍵字修改之後，還是會存在并發的情況。
二. volatile的原理和實作機制
1. 首先了解下Java記憶體模型
Java記憶體模型為我們提供了哪些保證以及在java中提供了哪些方法和機制來讓我們在進行多線程程式設計時能夠保證程式執行的正确性。
在Java虛拟機規範中試圖定義一種Java記憶體模型（Java Memory Model，JMM）來屏蔽各個硬體平台和作業系統的記憶體通路差異，以實作讓Java程式在各種平台下都能達到一緻的記憶體通路效果。那麼Java記憶體模型規定了哪些東西呢，它定義了程式中變量的通路規則，往大一點說是定義了程式執行的次序。注意，為了獲得較好的執行性能，Java記憶體模型并沒有限制執行引擎使用處理器的寄存器或者高速緩存來提升指令執行速度，也沒有限制編譯器對指令進行重排序。也就是說，在java記憶體模型中，也會存在緩存一緻性問題和指令重排序的問題。
Java記憶體模型規定所有的變量都是存在主存當中（類似于前面說的實體記憶體），每個線程都有自己的工作記憶體（類似于前面的高速緩存）。線程對變量的所有操作都必須在工作記憶體中進行，而不能直接對主存進行操作。并且每個線程不能通路其他線程的工作記憶體。
舉個簡單的例子：在java中，執行下面這個語句：
i = 10;
執行線程必須先在自己的工作線程中對變量i所在的緩存行進行指派操作，然後再寫入主存當中。而不是直接将數值10寫入主存當中。那麼Java語言 本身對 原子性、可見性以及有序性提供了哪些保證呢？
1).原子性
在Java中，對基本資料類型的變量的讀取和指派操作是原子性操作，即這些操作是不可被中斷的，要麼執行，要麼不執行。
上面一句話雖然看起來簡單，但是了解起來并不是那麼容易。看下面一個例子i：
請分析以下哪些操作是原子性操作：
x = 10; //語句1
y = x; //語句2
x++; //語句3
x = x + 1; //語句4
咋一看，有些朋友可能會說上面的4個語句中的操作都是原子性操作。其實隻有語句1是原子性操作，其他三個語句都不是原子性操作。
語句1是直接将數值10指派給x，也就是說線程執行這個語句的會直接将數值10寫入到工作記憶體中。
語句2實際上包含2個操作，它先要去讀取x的值，再将x的值寫入工作記憶體，雖然讀取x的值以及 将x的值寫入工作記憶體 這2個操作都是原子性操作，但是合起來就不是原子性操作了。
同樣的，x++和 x = x+1包括3個操作：讀取x的值，進行加1操作，寫入新的值。
是以上面4個語句隻有語句1的操作具備原子性。
也就是說，隻有簡單的讀取、指派（而且必須是将數字指派給某個變量，變量之間的互相指派不是原子操作）才是原子操作。
不過這裡有一點需要注意：在32位平台下，對64位資料的讀取和指派是需要通過兩個操作來完成的，不能保證其原子性。但是好像在最新的JDK中，JVM已經保證對64位資料的讀取和指派也是原子性操作了。
從上面可以看出，Java記憶體模型隻保證了基本讀取和指派是原子性操作，如果要實作更大範圍操作的原子性，可以通過synchronized和Lock來實作。由于synchronized和Lock能夠保證任一時刻隻有一個線程執行該代碼塊，那麼自然就不存在原子性問題了，進而保證了原子性。
2).可見性
對于可見性，Java提供了volatile關鍵字來保證可見性。
當一個共享變量被volatile修飾時，它會保證修改的值會立即被更新到主存，當有其他線程需要讀取時，它會去記憶體中讀取新值。而普通的共享變量不能保證可見性，因為普通共享變量被修改之後，什麼時候被寫入主存是不确定的，當其他線程去讀取時，此時記憶體中可能還是原來的舊值，是以無法保證可見性。
另外，通過synchronized和Lock也能夠保證可見性，synchronized和Lock能保證同一時刻隻有一個線程擷取鎖然後執行同步代碼，并且在釋放鎖之前會将對變量的修改重新整理到主存當中。是以可以保證可見性。
3).有序性
在Java記憶體模型中，允許編譯器和處理器對指令進行重排序，但是重排序過程不會影響到單線程程式的執行，卻會影響到多線程并發執行的正确性。
在Java裡面，可以通過volatile關鍵字來保證一定的“有序性”（具體原理在下一節講述）。另外可以通過synchronized和Lock來保證有序性，很顯然，synchronized和Lock保證每個時刻是有一個線程執行同步代碼，相當于是讓線程順序執行同步代碼，自然就保證了有序性。
另外，Java記憶體模型具備一些先天的“有序性”，即不需要通過任何手段就能夠得到保證的有序性，這個通常也稱為 happens-before 原則。如果兩個操作的執行次序無法從happens-before原則推導出來，那麼它們就不能保證它們的有序性，虛拟機可以随意地對它們進行重排序。
下面就來具體介紹下happens-before原則（先行發生原則）：
程式次序規則：一個線程内，按照代碼順序，書寫在前面的操作先行發生于書寫在後面的操作
鎖定規則：一個unLock操作先行發生于後面對同一個鎖額lock操作
volatile變量規則：對一個變量的寫操作先行發生于後面對這個變量的讀操作
傳遞規則：如果操作A先行發生于操作B，而操作B又先行發生于操作C，則可以得出操作A先行發生于操作C
線程啟動規則：Thread對象的start()方法先行發生于此線程的每個一個動作
線程中斷規則：對線程interrupt()方法的調用先行發生于被中斷線程的代碼檢測到中斷事件的發生
線程終結規則：線程中所有的操作都先行發生于線程的終止檢測，我們可以通過Thread.join()方法結束、Thread.isAlive()的傳回值手段檢測到線程已經終止執行
對象終結規則：一個對象的初始化完成先行發生于他的finalize()方法的開始
這8條原則摘自《深入了解Java虛拟機》。
這8條規則中，前4條規則是比較重要的，後4條規則都是顯而易見的。
下面我們來解釋一下前4條規則：
對于程式次序規則來說，我的了解就是一段程式代碼的執行在單個線程中看起來是有序的。注意，雖然這條規則中提到“書寫在前面的操作先行發生于書寫在後面的操作”，這個應該是程式看起來執行的順序是按照代碼順序執行的，因為虛拟機可能會對程式代碼進行指令重排序。雖然進行重排序，但是最終執行的結果是與程式順序執行的結果一緻的，它隻會對不存在資料依賴性的指令進行重排序。是以，在單個線程中，程式執行看起來是有序執行的，這一點要注意了解。事實上，這個規則是用來保證程式在單線程中執行結果的正确性，但無法保證程式在多線程中執行的正确性。
第二條規則也比較容易了解，也就是說無論在單線程中還是多線程中，同一個鎖如果出于被鎖定的狀态，那麼必須先對鎖進行了釋放操作，後面才能繼續進行lock操作。
第三條規則是一條比較重要的規則，也是後文将要重點講述的内容。直覺地解釋就是，如果一個線程先去寫一個變量，然後一個線程去進行讀取，那麼寫入操作肯定會先行發生于讀操作。
第四條規則實際上就是展現happens-before原則具備傳遞性。
2. 深入剖析volatile關鍵字
1).volatile關鍵字的兩層語義
一旦一個共享變量（類的成員變量、類的靜态成員變量）被volatile修飾之後，那麼就具備了兩層語義：
1）保證了不同線程對這個變量進行操作時的可見性，即一個線程修改了某個變量的值，這新值對其他線程來說是立即可見的。
2）禁止進行指令重排序。
先看一段代碼，假如線程1先執行，線程2後執行：
//線程1
boolean stop = false;
while(!stop){
doSomething();
}
//線程2
stop = true;
這段代碼是很典型的一段代碼，很多人在中斷線程時可能都會采用這種标記辦法。但是事實上，這段代碼會完全運作正确麼？即一定會将線程中斷麼？不一定，也許在大多數時候，這個代碼能夠把線程中斷，但是也有可能會導緻無法中斷線程（雖然這個可能性很小，但是隻要一旦發生這種情況就會造成死循環了）。
下面解釋一下這段代碼為何有可能導緻無法中斷線程。在前面已經解釋過，每個線程在運作過程中都有自己的工作記憶體，那麼線程1在運作的時候，會将stop變量的值拷貝一份放在自己的工作記憶體當中。
那麼當線程2更改了stop變量的值之後，但是還沒來得及寫入主存當中，線程2轉去做其他事情了，那麼線程1由于不知道線程2對stop變量的更改，是以還會一直循環下去。
但是用volatile修飾之後就變得不一樣了：
第一：使用volatile關鍵字會強制将修改的值立即寫入主存；
第二：使用volatile關鍵字的話，當線程2進行修改時，會導緻線程1的工作記憶體中緩存變量stop的緩存行無效（反映到硬體層的話，就是CPU的L1或者L2緩存中對應的緩存行無效）；
第三：由于線程1的工作記憶體中緩存變量stop的緩存行無效，是以線程1再次讀取變量stop的值時會去主存讀取。
那麼線上程2修改stop值時（當然這裡包括2個操作，修改線程2工作記憶體中的值，然後将修改後的值寫入記憶體），會使得線程1的工作記憶體中緩存變量stop的緩存行無效，然後線程1讀取時，發現自己的緩存行無效，它會等待緩存行對應的主存位址被更新之後，然後去對應的主存讀取最新的值。
那麼線程1讀取到的就是最新的正确的值。
2).volatile保證原子性嗎？
從上面知道volatile關鍵字保證了操作的可見性，但是volatile能保證對變量的操作是原子性嗎？
下面還是回看下第一個程式例子,
有些朋友認為程式的輸出結果是10000? 但是事實上運作它會發現每次運作結果都不一緻，都是一個小于10000的數字。
可能有的朋友就會有疑問，不對啊，上面是對變量inc進行自增操作，由于volatile保證了可見性，那麼在每個線程中對inc自增完之後，在其他線程中都能看到修改後的值啊，是以有10個線程分别進行了1000次操作，那麼最終inc的值應該是1000*10=10000。
這裡面就有一個誤區了，volatile關鍵字能保證可見性沒有錯，但是上面的程式錯在沒能保證原子性。可見性隻能保證每次讀取的是最新的值，但是volatile沒辦法保證對變量的操作的原子性。
在前面已經提到過，自增操作是不具備原子性的，它包括讀取變量的原始值、進行加1操作、寫入工作記憶體。那麼就是說自增操作的三個子操作可能會分割開執行，就有可能導緻下面這種情況出現：
假如某個時刻變量inc的值為10，
線程1對變量進行自增操作，線程1先讀取了變量inc的原始值，然後線程1被阻塞了；
然後線程2對變量進行自增操作，線程2也去讀取變量inc的原始值，由于線程1隻是對變量inc進行讀取操作，而沒有對變量進行修改操作，是以不會導緻線程2的工作記憶體中緩存變量inc的緩存行無效，是以線程2會直接去主存讀取inc的值，發現inc的值時10，然後進行加1操作，并把11寫入工作記憶體，最後寫入主存。
然後線程1接着進行加1操作，由于已經讀取了inc的值，注意此時線上程1的工作記憶體中inc的值仍然為10，是以線程1對inc進行加1操作後inc的值為11，然後将11寫入工作記憶體，最後寫入主存。
那麼兩個線程分别進行了一次自增操作後，inc隻增加了1。
解釋到這裡，可能有朋友會有疑問，不對啊，前面不是保證一個變量在修改volatile變量時，會讓緩存行無效嗎？然後其他線程去讀就會讀到新的值，對，這個沒錯。這個就是上面的happens-before規則中的volatile變量規則，但是要注意，線程1對變量進行讀取操作之後，被阻塞了的話，并沒有對inc值進行修改。然後雖然volatile能保證線程2對變量inc的值讀取是從記憶體中讀取的，但是線程1沒有進行修改，是以線程2根本就不會看到修改的值。
根源就在這裡，自增操作不是原子性操作，而且volatile也無法保證對變量的任何操作都是原子性的。
把上面的代碼改成以下任何一種都可以達到效果：
1采用synchronized：
2采用Lock：
3采用AtomicInteger：
在java 1.5的java.util.concurrent.atomic包下提供了一些原子操作類，即對基本資料類型的 自增（加1操作），自減（減1操作）、以及加法操作（加一個數），減法操作（減一個數）進行了封裝，保證這些操作是原子性操作。atomic是利用CAS來實作原子性操作的（Compare And Swap），CAS實際上是利用處理器提供的CMPXCHG指令實作的，而處理器執行CMPXCHG指令是一個原子性操作。
3).volatile能保證有序性嗎？
在前面提到關鍵字能禁止指令重排序，是以volatile能在一定程度上保證有序性。
volatile關鍵字禁止指令重排序有兩層意思：
1）當程式執行到volatile變量的讀操作或者寫操作時，在其前面的操作的更改肯定全部已經進行，且結果已經對後面的操作可見；在其後面的操作肯定還沒有進行；
2）在進行指令優化時，不能将在對volatile變量通路的語句放在其後面執行，也不能把volatile變量後面的語句放到其前面執行。
可能上面說的比較繞，舉個簡單的例子：
//x、y為非volatile變量
//flag為volatile變量
x = 2; //語句1
y = 0; //語句2
flag = true; //語句3
x = 4; //語句4
y = -1; //語句5
由于flag變量為volatile變量，那麼在進行指令重排序的過程的時候，不會将語句3放到語句1、語句2前面，也不會講語句3放到語句4、語句5後面。但是要注意語句1和語句2的順序、語句4和語句5的順序是不作任何保證的。
并且volatile關鍵字能保證，執行到語句3時，語句1和語句2必定是執行完畢了的，且語句1和語句2的執行結果對語句3、語句4、語句5是可見的。
那麼我們回到前面舉的一個例子：
//線程1:
context = loadContext(); //語句1
inited = true; //語句2
//線程2:
while(!inited ){
sleep()
}
doSomethingwithconfig(context);
前面舉這個例子的時候，提到有可能語句2會在語句1之前執行，那麼久可能導緻context還沒被初始化，而線程2中就使用未初始化的context去進行操作，導緻程式出錯。
這裡如果用volatile關鍵字對inited變量進行修飾，就不會出現這種問題了，因為當執行到語句2時，必定能保證context已經初始化完畢。
4.volatile的原理和實作機制
前面講述了源于volatile關鍵字的一些使用，下面我們來探讨一下volatile到底如何保證可見性和禁止指令重排序的。
下面這段話摘自《深入了解Java虛拟機》：
“觀察加入volatile關鍵字和沒有加入volatile關鍵字時所生成的彙編代碼發現，加入volatile關鍵字時，會多出一個lock字首指令”
lock字首指令實際上相當于一個記憶體屏障（也成記憶體栅欄），記憶體屏障會提供3個功能：
1）它確定指令重排序時不會把其後面的指令排到記憶體屏障之前的位置，也不會把前面的指令排到記憶體屏障的後面；即在執行到記憶體屏障這句指令時，在它前面的操作已經全部完成；
2）它會強制将對緩存的修改操作立即寫入主存；
3）如果是寫操作，它會導緻其他CPU中對應的緩存行無效。
三.使用volatile關鍵字的場景
synchronized關鍵字是防止多個線程同時執行一段代碼，那麼就會很影響程式執行效率，而volatile關鍵字在某些情況下性能要優于synchronized，但是要注意volatile關鍵字是無法替代synchronized關鍵字的，因為volatile關鍵字無法保證操作的原子性。通常來說，使用volatile必須具備以下2個條件：
1）對變量的寫操作不依賴于目前值
2）該變量沒有包含在具有其他變量的不變式中
實際上，這些條件表明，可以被寫入 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。
事實上，我的了解就是上面的2個條件需要保證操作是原子性操作，才能保證使用volatile關鍵字的程式在并發時能夠正确執行。
下面列舉幾個Java中使用volatile的幾個場景。
1.狀态标記量
volatile boolean flag = false;
while(!flag){
doSomething();
}
public void setFlag() {
flag = true;
}
volatile boolean inited = false;
//線程1:
context = loadContext();
inited = true;
//線程2:
while(!inited ){
sleep()
}
doSomethingwithconfig(context);
2.double check
class Singleton{
private volatile static Singleton instance = null;
private Singleton() {
}
public static Singleton getInstance() {
if(instance==null) {
synchronized (Singleton.class) {
if(instance==null)
instance = new Singleton();
}
}
return instance;
}
}
參考資料來自:
http://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3920373.html
http://www.cnblogs.com/aigongsi/archive/2012/04/01/2429166.html
![java sleep println方法對線程間變量的可見性的影響volatile保證可見性[圖]](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAP///wAAACwAAAAAAQABAAACAkQBADs=)