面试官最爱的 volatile 关键字，这些问题你都搞懂了没？

前言

volatile相关的知识点，在面试过程中，属于基础问题，是必须要掌握的知识点，如果回答不上来会严重扣分的哦。

volatile关键字基本介绍

volatile可以看成是synchronized的一种轻量级的实现，但volatile并不能完全代替synchronized，volatile有synchronized可见性的特性，但没有synchronized原子性的特性。

可见性即用volatile关键字修饰的成员变量表明该变量不存在工作线程的副本，线程每次直接都从主内存中读取，每次读取的都是最新的值，这也就保证了变量对其他线程的可见性。

另外，使用volatile还能确保变量不能被重排序，保证了有序性。

• 当一个变量定义为volatile之后，它将具备两种特性：

• 保证此变量对所有线程的可见性
• 禁止指令重排序优化

• volatile与synchronized的区别：

• 1、volatile只能修饰实例变量和类变量，而synchronized可以修饰方法，以及代码块。
• 2、volatile保证数据的可见性，但是不保证原子性; 而synchronized是一种排他(互斥)的机制，既保证可见性，又保证原子性。
• 3、volatile不会造成线程的阻塞；synchronized可能会造成线程的阻塞。
• 4、volatile可以看做是轻量版的synchronized，volatile不保证原子性，但是如果是对一个共享变量进行多个线程的赋值，而没有其他的操作，那么就可以用volatile来代替synchronized，因为赋值本身是有原子性的，而volatile又保证了可见性，所以就可以保证线程安全了。

保证此变量对所有线程的可见性：

当一条线程修改了这个变量的值，新值对于其他线程可以说是可以立即得知的。Java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存，每条线程还有自己的工作内存，线程的工作内存保存了该线程使用到的变量在主内存的副本拷贝，线程对变量的所有操作都必须在工作内存中进行，而不能直接读取主内存中的变量。

知识拓展：内存可见性：

• 概念：JVM内存模型：主内存 和 线程独立的 工作内存。Java内存模型规定，对于多个线程共享的变量，存储在主内存当中，每个线程都有自己独立的工作内存（比如CPU的寄存器），线程只能访问自己的工作内存，不可以访问其它线程的工作内存。工作内存中保存了主内存共享变量的副本，线程要操作这些共享变量，只能通过操作工作内存中的副本来实现，操作完毕之后再同步回到主内存当中。
• 如何保证多个线程操作主内存的数据完整性是一个难题，Java内存模型也规定了工作内存与主内存之间交互的协议，定义了8种原子操作：
• lock:将主内存中的变量锁定，为一个线程所独占。
• unclock:将lock加的锁定解除，此时其它的线程可以有机会访问此变量。
• read:将主内存中的变量值读到工作内存当中。
•  load:将read读取的值保存到工作内存中的变量副本中。
• use:将值传递给线程的代码执行引擎。
• assign:将执行引擎处理返回的值重新赋值给变量副本。
• store:将变量副本的值存储到主内存中。
• write:将store存储的值写入到主内存的共享变量当中。

通过上面Java内存模型的概述，我们会注意到这么一个问题，每个线程在获取锁之后会在自己的工作内存来操作共享变量，操作完成之后将工作内存中的副本回写到主内存，并且在其它线程从主内存将变量同步回自己的工作内存之前，共享变量的改变对其是不可见的。

即其他线程的本地内存中的变量已经是过时的，并不是更新后的值。volatile保证可见性的原理是在每次访问变量时都会进行一次刷新，因此每次访问都是主内存中最新的版本。所以volatile关键字的作用之一就是保证变量修改的实时可见性。

即，volatile的特殊规则就是：

• read、load、use动作必须连续出现。
• assign、store、write动作必须连续出现。

所以，使用volatile变量能够保证:

• 每次读取前必须先从主内存刷新最新的值。
• 每次写入后必须立即同步回主内存当中。

也就是说，volatile关键字修饰的变量看到的是自己的最新值。线程1中对变量v的最新修改，对线程2是可见的。

禁止指令重排序优化：

volatile boolean isOK = false;

//假设以下代码在线程A执行
A.init();
isOK=true;

//假设以下代码在线程B执行
while(!isOK){
  sleep();
}
B.init();

A线程在初始化的时候，B线程处于睡眠状态，等待A线程完成初始化的时候才能够进行自己的初始化。这里的先后关系依赖于isOK这个变量。

如果没有volatile修饰isOK这个变量，那么isOK的赋值就可能出现在A.init()之前（指令重排序,Java虚拟机的一种优化措施），此时A没有初始化，而B的初始化就破坏了它们之前形成的那种依赖关系，可能就会出错。

知识拓展：指令重排序：

• 概念：指令重排序是JVM为了优化指令，提高程序运行效率，在不影响 单线程程序 执行结果的前提下，尽可能地提高并行度。编译器、处理器也遵循这样一个目标。注意是单线程。多线程的情况下指令重排序就会给程序带来问题。

不同的指令间可能存在数据依赖。比如下面的语句：

  int l = 3; // (1)
  int w = 4; // (2)
  int s = l * w; // (3)

面积的计算依赖于l与w两个变量的赋值指令。而l与w无依赖关系。

重排序会遵守两个规则：

• as-if-serial规则：as-if-serial规则是指不管如何重排序（编译器与处理器为了提高并行度），（单线程）程序的结果不能被改变。这是编译器、Runtime、处理器必须遵守的语义。
• happens-before规则：
• 程序顺序规则：一个线程中的每个操作，happens-before于线程中的任意后续操作。
• 监视器锁规则：一个锁的解锁，happens-before于随后对这个锁的加锁。
• volatile变量规则：对一个volatile域的写，happens-before于任意后续对这个volatile域的读。
• 传递性：如果（A）happens-before（B），且（B）happens-before（C），那么（A）happens-before（C）。
• 线程start()规则：主线程A启动线程B，线程B中可以看到主线程启动B之前的操作。也就是start() happens-before 线程B中的操作。
• 线程join()规则：主线程A等待子线程B完成，当子线程B执行完毕后，主线程A可以看到线程B的所有操作。也就是说，子线程B中的任意操作，happens-before join()的返回。
• 中断规则：一个线程调用另一个线程的interrupt，happens-before于被中断的线程发现中断。
• 终结规则：一个对象的构造函数的结束，happens-before于这个对象finalizer的开始。
• 概念：前一个操作的结果可以被后续的操作获取。讲直白点就是前面一个操作把变量a赋值为1，那后面一个操作肯定能知道a已经变成了1。
• happens-before（先行发生）规则如下：

虽然，（1）-happensbefore ->（2）,（2）-happens before->（3），但是计算顺序(1)(2)(3)与(2)(1)(3)对于l、w、area变量的结果并无区别。编译器、Runtime在优化时可以根据情况重排序（1）与（2），而丝毫不影响程序的结果。

• volatile使用场景：
• 1、对变量的写操作不依赖当前变量的值。
• 2、该变量没有包含在其他变量的不变式中。
• 如果正确使用volatile的话，必须依赖下以下种条件：

也可以这样理解，就是上面的2个条件需要保证操作是原子性操作，才能保证使用volatile关键字的程序在并发时能够正确执行。

第一个条件的限制使 volatile 变量不能用作线程安全计数器。虽然增量操作（i++）看上去类似一个单独操作，实际上它是一个由（读取－修改－写入）操作序列组成的组合操作，必须以原子方式执行，而 volatile 不能提供必须的原子特性。

实现正确的操作需要使 i 的值在操作期间保持不变，而 volatile 变量无法实现这点。

• 在以下两种情况下都必须使用volatile：
• 1、状态的改变。
• 2、读多写少的情况。

具体如下：

// 场景一：状态改变

/**
 * 双重检查（DCL）
 */
public class Sun {
  private static volatile Sun sunInstance;

  private Sun() {
  }

  public static Sun getSunInstance() {
    if (sunInstance == null) {
      synchronized (Sun.class) {
        if (sunInstance == null){
          sunInstance = new Sun();
        }
      }
    }
    return sunInstance;
  }
}

// 场景二：读多写少

public class VolatileTest {
    private volatile int value;

    //读操作，没有synchronized，提高性能
    public int getValue() {
        return value;
    }

    //写操作，必须synchronized。因为x++不是原子操作
    public synchronized int increment() {
        return value++;
    }
}

问题来了，volatile是如何防止指令重排序优化的呢？

答：

volatile关键字通过 “内存屏障” 的方式来防止指令被重排序，为了实现volatile的内存语义，编译器在生成字节码时，会在指令序列中插入内存屏障来禁止特定类型的处理器重排序。大多数的处理器都支持内存屏障的指令。

对于编译器来说，发现一个最优布置来最小化插入屏障的总数几乎不可能，为此，Java内存模型采取保守策略。下面是基于保守策略的JMM内存屏障插入策略：

• 在每个volatile写操作的前面插入一个StoreStore屏障。
• 在每个volatile写操作的后面插入一个StoreLoad屏障。
• 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadLoad屏障。
• 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadStore屏障。

知识拓展：内存屏障：

内存屏障（Memory Barrier，或有时叫做内存栅栏，Memory Fence）是一种CPU指令，用于控制特定条件下的重排序和内存可见性问题。Java编译器也会根据内存屏障的规则禁止重排序。

内存屏障可以被分为以下几种类型：

• LoadLoad屏障：对于这样的语句Load1; LoadLoad; Load2，在Load2及后续读取操作要读取的数据被访问前，保证Load1要读取的数据被读取完毕。
• StoreStore屏障：对于这样的语句Store1; StoreStore; Store2，在Store2及后续写入操作执行前，保证Store1的写入操作对其它处理器可见。
• LoadStore屏障：对于这样的语句Load1; LoadStore; Store2，在Store2及后续写入操作被刷出前，保证Load1要读取的数据被读取完毕。
• StoreLoad屏障：对于这样的语句Store1; StoreLoad; Load2，在Load2及后续所有读取操作执行前，保证Store1的写入对所有处理器可见。它的开销是四种屏障中最大的。在大多数处理器的实现中，这个屏障是个万能屏障，兼具其它三种内存屏障的功能。