你真的了解 volatile 吗？

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作者：风过无痕

原文：https://urlify.cn/6RnU3i

很早就接触了volatile，但是并没有特别深入的去研究它，只有一个朦胧的概念，就是觉得用它来解决可见性的，但可见性又是什么呢？

最近经过查阅各种资料，并结合自己的思考和实践，对volatile有了比较深刻的认识，在此总结并分享给大家。

可见性

如何理解可见性，还是来看个会出现死循环的例子：

（注意：运行时请加上jvm参数：-server，while循环内不要有标准输出）：

这是为什么呢？先来看看java的内存模型，如下图：

java内存分为工作内存和主存

工作内存：即java线程的本地内存，是单独给某个线程分配的，存储局部变量等，同时也会复制主存的共享变量作为本地的副本，目的是为了减少和主存通信的频率，提高效率。

主存：存储类成员变量等

可见性是指的是线程访问变量是否是最新值。

局部变量不存在可见性问题，而共享内存就会有可见性问题，因为本地线程在创建的时候，会从主存中读取一个共享变量的副本，且修改也是修改副本，且并不是立即刷新到主存中去，那么其他线程并不会马上共享变量的修改。

因此，线程B修改共享变量后，线程A并不会马上知晓，就会出现上述死循环的问题。

解决共享变量可见性问题，需要用volatile关键字修饰。

如下图代码就不会出现死循环：

那么为什么能解决死循环的问题呢？

可见性的特性总结为以下2点：

• 对volatile变量的写会立即刷新到主存
• 对volatile变量的读会读主存中的新值

可以用如下图更清晰的描述：

如此一来，就不会出现死循环了。

为了能更深刻的理解volatile的语义，我们来看下面的时序图，回答这2个问题：

问题1：t2时刻，如果线程A读取running变量，会读取到false，还是等待线程B执行完呢？

答案是否定的，volatile并没有锁的特性。

问题2：t4时刻，线程A是否一定能读取到线程B修改后的最新值

答案是肯定的，线程A会从重新从主存中读取running的最新值。

还有一种办法也可以解决死循环的问题：

虽然running变量上没有volatile关键字修饰，但是读和写running都是同步方法

同步块存在如下语义：

• 进入同步块，访问共享变量会去读取主存
• 退出同步块，本地内存对共享变量的修改会立即刷新到主存

因此上述代码不会出现死循环。

volatile变量的原子性

我看了很多文章，有些文章甚至是出版的书籍都说volatile不是原子的，他们举的例子是i++操作，i++本身不是原子操作，是读并写，我这里要讲的原子性指的是写操作，原子性的特别总结为2点：

• 对一个volatile变量的写操作，只有所有步骤完成，才能被其它线程读取到。
• 多个线程对volatile变量的写操作本质上是有先后顺序的。也就是说并发写没有问题。

这样说也许读者感觉不到和非volatile变量有什么区别，我来举个例子：

//线程1初始化User
User user;
user = new User();
//线程2读取user
if(user!=null){
user.getName();
}

在多线程并发环境下，线程2读取到的user可能未初始化完成，具体来看User user = new User的语义：

• 分配对象的内存空间
• 初始化对线
• 设置user指向刚分配的内存地址

步骤2和步骤3可能会被重排序，流程变为

1->3->2

这些线程1在执行完第3步而还没来得及执行完第2步的时候，如果内存刷新到了主存，那么线程2将得到一个未初始化完成的对象。因此如果将user声明为volatile的，那么步骤2,3将不会被重排序。

下面我们来看一个具体案例，一个基于双重检查的懒加载的单例模式实现：

这个单例模式看起来很完美，如果instance为空，则加锁，只有一个线程进入同步块完成对象的初始化，然后instance不为空，那么后续的所有线程获取instance都不用加锁，从而提升了性能。

但是我们刚才讲了对象赋值操作步骤可能会存在重排序，即当前线程的步骤4执行到一半，其它线程如果进来执行到步骤1，instance已经不为null，因此将会读取到一个没有初始化完成的对象。

但如果将instance用volatile来修饰，就完全不一样了，对instance的写入操作将会变成一个原子操作，没有初始化完，就不会被刷新到主存中。

修改后的单例模式代码如下：

对volatile理解的误区

很多人会认为对volatile变量的所有操作都是原子性的，比如自增i++

这其实是不对的。

看如下代码：

如果i++的操作是线程安全的，那么预期结果应该是i=20000

然而运行的结果是：11349

说明i++存在并发问题，i++语义是i=i+1

分为2个步骤

• 读取i=0
• 计算i+1=1，并重新赋值给i

那么可能存在2个线程同时读取到i=0，并计算出结果i=1然后赋值给i，那么就得不到预期结果i=2。

这个问题说明了2个问题：

• i++这种操作不是原子操作
• volatile 并不会有锁的特性

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