前言

在Java并發(fā)編程中，volatile關(guān)鍵字有著至關(guān)重要的作用，在面試中也常常會(huì)是必備的一個(gè)問題。本文將會(huì)介紹volatile關(guān)鍵字的作用以及其實(shí)現(xiàn)原理。

volatile作用

volatile在并發(fā)編程中扮演著重要的角色，volatile是輕量級(jí)的synchronized，volatile關(guān)鍵字有兩個(gè)作用：

1)保證共享變量的可見性

可見性的意思是當(dāng)一個(gè)線程修改一個(gè)共享變量時(shí)，另外一個(gè)線程能讀到這個(gè)修改的值。筆者此前一篇文章Java并發(fā)編程：Java內(nèi)存模型JMM中有說到，Java內(nèi)存模型中有主內(nèi)存和本地內(nèi)存之分，本地內(nèi)存持有共享變量的一份副本，線程對(duì)共享變量的修改是先修改本地內(nèi)存的副本，然后再回寫到主內(nèi)存中去。

可能存在這樣的情況，線程A和線程B同時(shí)去修改一個(gè)共享變量C，假設(shè)線程A先對(duì)共享變量C做了修改，而此時(shí)線程B卻沒能及時(shí)感知到共享變量C已經(jīng)發(fā)生了改變，緊接著B對(duì)本地過期的副本數(shù)據(jù)進(jìn)行了修改，這造成了共享變量的不可見問題。

而使用了volatile關(guān)鍵字修改的共享變量，當(dāng)線程修改了共享變量之后，會(huì)立馬刷新到主內(nèi)存中，并且會(huì)使其他線程緩存了該地址的數(shù)據(jù)失效，這就保證了線程之間共享變量的可見性。

2)防止指令重排序

volatile關(guān)鍵字的另外一個(gè)作用就是防止指令重排序。代碼在實(shí)際執(zhí)行過程中，并不全是按照編寫的順序進(jìn)行執(zhí)行的，在保證單線程執(zhí)行結(jié)果不變的情況下，編譯器或者CPU可能會(huì)對(duì)指令進(jìn)行重排序，以提高程序的執(zhí)行效率。但是在多線程的情況下，指令重排序可能會(huì)造成一些問題，最常見的就是雙重校驗(yàn)鎖單例模式：

public class SingletonSafe { 
 
   private static volatile SingletonSafe singleton; 
 
   private SingletonSafe() { 
  } 
 
   public static SingletonSafe getSingleton() { 
       if (singleton == null) { 
           synchronized (SingletonSafe.class) { 
               if (singleton == null) { 
                   singleton = new SingletonSafe(); 
              } 
          } 
      } 
       return singleton; 
  } 
} 

如果沒有使用volatile關(guān)鍵字，則可能會(huì)出現(xiàn)其他線程獲取了一個(gè)未初始化完成的singleton對(duì)象，具體原因筆者不在這里贅述了，有興趣的同學(xué)可以搜索一下“double checked locking with delay initialization”學(xué)習(xí)下，筆者后續(xù)有時(shí)間再寫篇文章分析下。

volatile實(shí)現(xiàn)原理

1)可見性實(shí)現(xiàn)原理

對(duì)于volatile關(guān)鍵字修飾的變量，當(dāng)對(duì)volatile變量進(jìn)行寫操作的時(shí)候，JVM會(huì)向處理器發(fā)送一條lock前綴的指令，將這個(gè)緩存中的變量回寫到系統(tǒng)主存中。但是就算寫回到內(nèi)存，如果其他處理器緩存的值還是舊的，再執(zhí)行計(jì)算操作就會(huì)有問題，所以在多處理器下，為了保證各個(gè)處理器的緩存是一致的，就會(huì)實(shí)現(xiàn)緩存一致性協(xié)議。

緩存一致性協(xié)議：每個(gè)處理器通過嗅探在總線上傳播的數(shù)據(jù)來檢查自己緩存的值是不是過期了，當(dāng)處理器發(fā)現(xiàn)自己緩存行對(duì)應(yīng)的內(nèi)存地址被修改，就會(huì)將當(dāng)前處理器的緩存行設(shè)置成無效狀態(tài)，當(dāng)處理器要對(duì)這個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改操作的時(shí)候，會(huì)強(qiáng)制重新從系統(tǒng)內(nèi)存里把數(shù)據(jù)讀到處理器緩存里。

所以，如果一個(gè)變量被volatile所修飾的話，在每次數(shù)據(jù)變化之后，其值都會(huì)被強(qiáng)制刷入主存。而其他處理器的緩存由于遵守了緩存一致性協(xié)議，也會(huì)把這個(gè)變量的值從主存加載到自己的緩存中。這就保證了一個(gè)volatile在并發(fā)編程中，其值在多個(gè)緩存中是可見的。

2)防止指令重排序?qū)崿F(xiàn)原理

volatile防止指令重排序是通過內(nèi)存屏障來實(shí)現(xiàn)的。內(nèi)存屏障分為如下三種：

Store Barrier

Store屏障，是x86的”sfence“指令，強(qiáng)制所有在store屏障指令之前的store指令，都在該store屏障指令執(zhí)行之前被執(zhí)行。

Load Barrier

Load屏障，是x86上的”ifence“指令，強(qiáng)制所有在load屏障指令之后的load指令，都在該load屏障指令執(zhí)行之后被執(zhí)行

Full Barrier

Full屏障，是x86上的”mfence“指令，復(fù)合了load和save屏障的功能。

Java內(nèi)存模型中volatile變量在寫操作之后會(huì)插入一個(gè)store屏障，在讀操作之前會(huì)插入一個(gè)load屏障。一個(gè)類的final字段會(huì)在初始化后插入一個(gè)store屏障，來確保final字段在構(gòu)造函數(shù)初始化完成并可被使用時(shí)可見。也正是JMM在volatile變量讀寫前后都插入了內(nèi)存屏障指令，進(jìn)而保證了指令的順序執(zhí)行。