Volatile关键字与线程安全

Volatile关键字与线程安全

volatile关键字，它的语义有二：

1.volatile修饰的变量对于其他线程具有立即可见性

即被volatile修饰的变量值发生变化时，其他线程可以立马感知。而对于普通变量，值发生变化后，需要经过store、write过程将变量从当前线程的工作内存写入主内存，其他线程再从主内存通过read、load将变量同步到自己的工作内存，由于以上流程时间上的影响，可能会导致线程的不安全。

当然要说使用volatile修饰过的变量是线程安全的，也不全对。因为volatile是要分场景来说的：如果多个线程操作volatile修饰的变量，且此时的“操作”是原子性的，那么是线程安全的，否则不是。如：

volatile int i=0;

线程1执行： for(;i++;i<100);

线程2执行： for(;i++;i<100);

最后 i 的结果不一定会是200（线程不安全），因为i++操作不是原子性操作，它涉及到了三个子操作：从主内存取出i、i+1、将结果同步回主内存。那么就有可能一个线程拿到最新值，正开始执行第二个子操作，而值还未来得及改变时，第二个线程就已经拿到同样的值开始执行第二个子操作了。这样一来，就有可能两个线程给同一个值加了一次1，所以就算有volatile修饰也是无力回天。

这时，我们应该使用synchronize或concurrent原子类来保证“操作”的原子性。故volatile的使用场景应该是：修饰的变量的有关操作都是原子性的时候。比如修饰一个控制标志位：

volatile boolean tag=true;

线程1 while(tag){};

线程2 while(tag){};

当tag=false时，两个线程都能马上感知到并停止while循环，因为简单的赋值语句属于原子操作（赋予具体的值而不是变量），它只负责把主内存的tag同步为true。能实现可见性的关键字除了volatile，还有synchronize与final，synchronize是因为变量执行解锁操作前，会把变量同步到主内存（自带可见性）；而final则是被其修饰的变量一旦初始化，且构造器没有把this引用传递到外面去的情况下，其他线程就可以看见它的值（因为它永不发生变化）。

2.禁止指令重排序

new一个对象可以分解为如下的3行伪代码

memory=allocate(); //1:分配对象的内存空间

ctorInstance(memory); //2:初始化对象

instance=memory; //3:设置instance指向刚分配的内存地址

上面3行代码中的2和3之间，可能会被重排序（在一些JIT编译器上，这种重排序是真实发生的）。2和3之间重排序之后的执行时序如下

memory=allocate(); //1:分配对象的内存空间

instance=memory; //3:设置instance指向刚分配的内存地址，注意此时对象还没有被初始化

ctorInstance(memory); //2:初始化对象

如果发生重排序，另一个并发执行的线程B就有可能在还没初始化对象操作前就拿走了instance，但此时这个对象可能还没有被线程真正初始化，因此这是线程不安全的。

Java先行发生原则：

1.程序次序规则：在一个线程内，按照程序代码顺序（准确说应是控制流顺序），先写的先发生，后写的后发生。

2.管程锁定规则：一个解锁操作先于后面对该锁的锁定操作。

3.volatile变量规则：对一个volatile变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作。

4.线程启动规则：线程对象的start()方法先行发生于此线程的每一个动作。

5.线程终止规则：线程的所有操作都先于此线程的终止检测。

6.线程中断规则：对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生。可通过Thread.interrupted()方法检测是否会有中断将发生。

7.对象终结规则：一个对象的初始化发生先行于它的finalize()方法的开始。

8.传递性：如果操作A先于B，B先于C，那么A先于C。

例：

private int value=0;

public void setValue(int value){

this.value=value;

}

public int getValue(){

return this.value;

}

如果线程1调用setValue(1)方法，线程2调用getValue()，那么得到的value是0还是1呢，这是不确定的。因为它不满足上面的先行发生原则：因为不是在一个线程，所以不符合程序次序规则；因为没有同步块，也就不存在加锁和解锁，因此也不符合管程锁定规则；没有volatile修饰，也就不存在volatile变量规则，更没有后面的线程相关规则和传递性可言。针对此，可做以下修改：

将上面的setter、getter方法都用synchronize修饰，使其满足管程锁定规则；或者使用volatile修饰，因为setValue()是基本的赋值操作，属于原子操作，因此符合volatile的使用场景。

注：

1.从上总结，线程安全一般至少需要两个特性：原子性和可见性。

2.synchronize是具有原子性和可见性的，所以如果使用了synchronize修饰的操作，那么就自带了可见性，也就不再需要volatile来保证可见性了。

2.对于上面代码，若想实现线程安全的数字的自增自减等操作，也可使用 java.util.concurrent.atomic包来进行无锁的原子性操作。在其底层实现中，如AtomicInteger，同样是使用了volatile来保证可见性；使用Unsafe调用native本地方法CAS，CAS采用总线加锁或缓存加锁方式来保证原子性。

参考：

（Java并发编程：volatile关键字解析）http://www.importnew.com/18126.html