volatile关键字

原子性

众所周知，原子操作是不可被线程调度机制中断的操作。因此一个原子操作一旦发生，就一定会在任何可能的”线程上下文切换“之前完成。

在java语言中，除了long和double外原子性可以应用于其他基本数据类型的操作上。读写操作都会当作原子操作来对内存进行操作。因为JVM会将64位变量的读写拆分为两个32位的原子操作来进行，在和过程中可能会发生上下文切换，从而导致不同的task可能看到不正确结果的可能性。

如果想要实现对于long和double类型的原子性，就需要借用关键字volatile。

JMM

JMM 全称 Java Memory Model，翻译为 Java 内存模型。JMM规定了所有的变量都存储在主内存（Main Memory）中。每个线程还有自己的工作内存（Working Memory）,线程的工作内存中保存了该线程使用到的变量的主内存的副本拷贝，线程对变量的所有操作（读取、赋值等）都必须在工作内存中进行，而不能直接读写主内存中的变量（volatile变量仍然有工作内存的拷贝，但是由于它特殊的操作顺序性规定，所以看起来如同直接在主内存中读写访问一般）。不同的线程之间也无法直接访问对方工作内存中的变量，线程之间值的传递都需要通过主内存来完成。

JMM中的 happen-before规则，定义了 Java 多线程操作的有序性和可见性，防止了编译器重排序对程序结果的影响。

指令重排

编译器以及CPU为了优化代码或者执行效率而执行的优化操作；应用条件是单线程场景下，对于并发多线程场景下，指令重排会产生不确定的执行效果。

懒汉式单例模式：

public class VolatileDemo {
    private static VolatileDemo instance = null;

    private VolatileDemo() {
    }

    public static VolatileDemo getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (VolatileDemo.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new VolatileDemo();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

其中 instance = new Singleton();语句在JVM中会转换成多条指令：

分配对象的内存空间
初始化对象
设置instance指向刚分配的内存地址

当有A，B两个线程时，指令经过重排序后可能会变成如下顺序：
1 ----> 3 ---->2
可以看到指令重排之后，先进行了内存地址的分配，而对象初始化被排在了后面，在线程A初始化完成这段内存之前，线程B虽然进不去同步代码块，但是在同步代码块之前的判断就会发现instance不为空，此时线程B获得instance对象进行使用就可能发生错误。

内存可见性

可见性指的是，当一个线程对共享变量（一个变量在多个线程的工作内存中都有副本）做修改时，能够及时的被其他线程看到。

代码如下：

public class VolatileDemo {
    static int a, b, e, d;

    public static void addOne() {
        a += 1;
        b += 1;
        d += 1;
        e += 1;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread one = new Thread(new Runnable() {
            public void run() {
                while (a < Integer.MAX_VALUE) {
                    addOne();
                }
            }
        });
        one.start();

        while (true) {
            if (e > b) {
                System.out.println(b + "," + e);
            }
        }
    }
}

输出结果片段如下

21308,22052
31454,31592
32768,32768
34355,34425
35454,35528
36502,36553
37436,37484
38305,38356

共享变量a、b、d、e四个数。在线程one中进行+1操作，主线程中读取e和b进行判断。如果是单线程情况顺序执行e > b肯定是假命题。但是由于存在指令重排和多线程下共享变量数据同步不一致的问题，可能会出现e > b的情况。

Volatile的引入

有了指令重排和内存可见性的问题，使得我们在多线程并发环境中，程序会出现各种各样异常情况。因此volatile就非常重要了

volatile特性

禁止进行指令重排序。（有序性）
volatile 只能保证对单次读/写的原子性。（原子性）
保证了不同线程对这个变量进行操作时的可见性，即一个线程修改了某个变量的值，那么新值对其他线程来说是立即可见的。（可见性）

volatile的内存可见性和有序性实现

volatile 变量的内存可见性是基于内存屏障（Memory Barrier）实现。如果将一个域声明为volatile的，那么只要对这个域产生写操作，那么所有的读操作就可以看到这个修改。即便使用本地缓存，也会将这个域写入主存。

有序性保证：volatile会影响指令重排。禁止局部指令重排。具体的可以了解下happen before，这里就不赘述了。

volatile和synchronize

volatile解决多线程共享变量可见性问题，类似于synchronize，但是不具备synchronize的互斥性。因此使用volatile而不是synchronize的唯一安全可靠的情况是类中只有一个可变域。

当一个域的值依赖于它之前的值，或者是依赖于其他域的值，volatile就无法工作了。

volatile性能问题

由于volatile每次操作都需要同步主存，因此性能开销比较大，会使得线程速度比较慢。所以在实际开发中优先考虑使用synchronize。

程序猿Alex

【面试宝典】彻底理解volatile