Java 之 volatile 解析

本文参考周志明先生的《深入理解Java虚拟机（第2版）》和《Java 理论与实践: 正确使用 Volatile 变量》写成，如有错误之处，请不吝指出。

volatile 和 synchronized 是java 的两种同步机制。介绍volatile前，先介绍几个概念。

Java内存模型

Java内存模型定义了程序中各个变量的访问规则。所有的变量(如图中主内存中的Counter变量)都存储在主内存(Main Memory)中，如下图蓝色部分所示，每条线程有自己的工作内存(Working Memory)，工作内存中保存了该线程使用的该变量的主内存副本拷贝(如图中工作内存中的Counter)，线程对变量所有的操作如读取、赋值等，都必须在各自的工作内存中进行，而不能直接操作主内存中的变量。不同的线程之间也不能直接访问对方工作内存中的变量，线程之间的变量的传递需要通过主内存完成，具体来说是通过lock, unlock, read, load, use, assign, store, write等8中原子操作来完成的。

lock(锁定)：锁定主内存中变量，使其只能被一个线程占用；

unlock(解锁)：解锁主内存变量，使其可以被其他线程锁定；

read(读取)：读取主内存变量到工作内存中，以被load使用；

load(载入)：将read到的值赋给工作内存中的变量副本；

use(使用)：某个线程的执行引擎使用该线程的工作内存中的变量副本；

assign(赋值)：某个线程的执行引擎对该变量副本赋值；

store(存储)：将工作内存中的变量副本传递给主内存，供write操作调用；

write(写入)：将store传回的值赋给主内存中的变量；

volatile特性

volatile具有可见性，有序性（指令重排）和原子性。 

可见性(Visibility)

当一个线程修改了共享变量的值，其他线程能立即获得新值；举例说明volatile的可见性。当线程2执行assign操作，及更改Counter副本的值，会触发store, write操作，及时更新住内存中Counter的值，当线程1执行use操作时，会触发read, load操作，其工作内存中的Counter立即得到更新，线程1使用的Counter值就是最新的。volatile关键字就是通过此种机制保证共享变量的最新值对所有线程可见的。

有序性(Ordering)

有序性是指禁止指令重排序优化，对于普通变量，仅能保证所有依赖赋值（如 i = 2; … j = i + 2;）的操作都能得到正确的结果，而无法保证赋值操作的顺序与代码执行的顺序一致；volatile修饰的变量，jvm编译时会在机器指令中插入一些代码，防止重排序现象的发生。

原子性(Atomicity)

某种操作是不可再分的，即具有原子性；

public class VolatileDemo {public static final int THREADS_COUNT = 10000;public volatile int counter = 0;/** * 累加操作  * @Title:       increase  * @Description: TODO  * @param          * @return       void  * @throws */public void increase() {counter++;}/** * 创建并启动累加线程  * @Title:       m  * @Description: TODO  * @param          * @return       void  * @throws */public void m() {Thread threads[] = new Thread[THREADS_COUNT];for (int i = 0; i < THREADS_COUNT; i++) {threads[i] = new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {increase();}});threads[i].start();}// 等待所有累加线程结束for (int i = 0; i < THREADS_COUNT; i++) {try {threads[i].join();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}// 待所有线程结束，输出累加结果System.out.println("counter: " + counter);}public static void main(String[] args) {VolatileDemo vd = new VolatileDemo();vd.m();}}

运行50次的输出结果是：9999, 10000, 9999, 10000, 9999, 9999, 10000, 9999, 10000, 10000, 10000, 9999, 10000, 10000, 9998, 10000, 10000, 10000, 9998, 9999, 9999, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 9999, 10000, 9999, 9999, 9999, 10000, 9999, 9999, 10000, 10000, 9998, 10000, 10000, 10000, 10000, 9999, 9998, 9996, 10000, 10000, 9999, 9999, 9999, 9999

在increase()方法前增加synchronized关键字，运行50次的输出结果是：10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000

现象解释：由于counter++操作是非原子操作，多个线程可以同时进行此操作，如某2个线程的副本变量均为10，同时进行counter++操作，操作完成后更新主内存的counter，2次更新的结果本应该为12，实际却是2次重复更新为11，最终结果是11，无法完成计数器的功能。

synchronized()方法将increase()变成原子操作，每次只能有一个线程进入increase()，下一个线程再进入该方法时，使用的上个线程更新后的counter值，故计数结果是正确的。

volatile的应用场景

至于volatile的应用场景，本文只举一例，其余场景请参见《Java 理论与实践: 正确使用 Volatile 变量》和我的另一篇博文《单例模式》中的“双重检查锁”。

volatile 可修饰状态标识变量，一个线程负责更改标识的状态，其他线程据此做相应的动作，为了保证该标识为的可见性，可以将其修饰为volatile。代码如下：

volatile boolean shutdownRequested;...public void shutdown() { shutdownRequested = true; }public void doWork() {     while (!shutdownRequested) {         // do stuff    }}