Weekly Diary—Java中的关键字volatile

前言

在Java内存模型中，有main memory，每个线程也有自己的memory (例如寄存器)。为了性能，一个线程会在自己的memory中保持要访问的变量的副本。这样就会出现同一个变量在某个瞬间，在一个线程的memory中的值可能与另外一个线程memory中的值或者main memory中的值不一致的情况。
volatile作为java中的关键词之一，用以声明变量的值可能随时会被别的线程修改，使用volatile修饰的变量会强制将修改的值立即写入主存，主存中值的更新会使缓存中的值失效(非volatile变量不具备这样的特性，非volatile变量的值会被缓存，线程A更新了这个值，线程B读取这个变量的值时可能读到的并不是线程A更新后的值)。volatile会禁止指令重排。

volatile特性

volatile具有可见性、有序性，不具备原子性。
注意，volatile不具备原子性，这是volatile与java中的synchronized、java.util.concurrent.locks.Lock最大的功能差异，这一点在面试中也是非常容易问到的点。
volatile具有synchronized关键字的“可见性”，但是没有synchronized关键字的“并发正确性”，也就是说不保证线程执行的有序性。volatile变量对于每次使用，线程都能得到当前volatile变量的最新值。但是volatile变量并不保证并发的正确性。
下面来分别看下可见性、有序性、原子性：

👍 原子性：如果你了解事务，那这个概念应该好理解。原子性通常指多个操作不存在只执行一部分的情况，如果全部执行完成那没毛病，如果只执行了一部分，那对不起，你得撤销(即事务中的回滚)已经执行的部分。
👍 可见性：当多个线程访问同一个变量x时，线程1修改了变量x的值，线程1、线程2…线程n能够立即读取到线程1修改后的值。
👍 有序性：即程序执行时按照代码书写的先后顺序执行。在Java内存模型中，允许编译器和处理器对指令进行重排序，但是重排序过程不会影响到单线程程序的执行，却会影响到多线程并发执行的正确性。(本文不对指令重排作介绍，但不代表它不重要，它是理解JAVA并发原理时非常重要的一个概念)。

案例解释

1.保证可见性

当一个共享变量被volatile修饰时，它会保证修改的值会立即被更新到主存，当有其他线程需要读取时，它会去内存中读取新值。
而普通的共享变量不能保证可见性，因为普通共享变量被修改之后，什么时候被写入主存是不确定的，当其他线程去读取时，此时内存中可能还是原来的旧值，因此无法保证可见性。
另外，通过synchronized和Lock也能够保证可见性，synchronized和Lock能保证同一时刻只有一个线程获取锁然后执行同步代码，并且在释放锁之前会将对变量的修改刷新到主存当中。因此可以保证可见性。
先看一段代码，假如线程1先执行，线程2后执行：

//线程1
boolean stop = false;
while(!stop){
    doSomething();
}

//线程2
stop = true;

这段代码是很典型的一段代码，很多人在中断线程时可能都会采用这种标记办法。但是事实上，这段代码会完全运行正确么？即一定会将线程中断么？不一定，也许在大多数时候，这个代码能够把线程中断，但是也有可能会导致无法中断线程（虽然这个可能性很小，但是只要一旦发生这种情况就会造成死循环了）。
下面解释一下这段代码为何有可能导致无法中断线程。在前面已经解释过，每个线程在运行过程中都有自己的工作内存，那么线程1在运行的时候，会将stop变量的值拷贝一份放在自己的工作内存当中。
那么当线程2更改了stop变量的值之后，但是还没来得及写入主存当中，线程2转去做其他事情了，那么线程1由于不知道线程2对stop变量的更改，因此还会一直循环下去。
但是用volatile修饰之后就变得不一样了：

🔴 使用volatile关键字会强制将修改的值立即写入主存;
🔴 使用volatile关键字的话，当线程2进行修改时，会导致线程1的工作内存中缓存变量stop的缓存行无效（反映到硬件层的话，就是CPU的L1或者L2缓存中对应的缓存行无效）;
🔴 由于线程1的工作内存中缓存变量stop的缓存行无效，所以线程1再次读取变量stop的值时会去主存读取;

那么在线程2修改stop值时（当然这里包括2个操作，修改线程2工作内存中的值，然后将修改后的值写入内存），会使得线程1的工作内存中缓存变量stop的缓存行无效，然后线程1读取时，发现自己的缓存行无效，它会等待缓存行对应的主存地址被更新之后，然后去对应的主存读取最新的值。
那么线程1读取到的就是最新的正确的值。

2.保证有序性

volatile boolean inited = false;
//线程1:
context = loadContext();
inited = true;

//线程2:
while(!inited){
    sleep();
}

doSomethingwithconfig(context);

确保context已经初始化完成。

volatile适用场景

🍳 适用于对变量的写操作不依赖于当前值，对变量的读取操作不依赖于非volatile变量。
🍳 适用于读多写少的场景。
🍳 可用作状态标志。
🍳 JDK中volatie应用：JDK中ConcurrentHashMap的Entry的value和next被声明为volatile，AtomicLong中的value被声明为volatile。AtomicLong通过CAS原理(也可以理解为乐观锁)保证了原子性。

ps:因作者能力有限，有错误的地方请见谅