详细分析java并发之volatile关键字

Java面试中经常会涉及关于volatile的问题。本文梳理下volatile关键知识点。

volatile字意为“易失性”，在Java中用做修饰对象变量。它不是Java特有，在C，C++，C#等编程语言也存在，只是在其它编程语言中使用有所差异，但总体语义一致。比如使用volatile 能阻止编译器对变量的读写优化。简单说，如果一个变量被修饰为volatile，相当于告诉系统说我容易变化，编译器你不要随便优化（重排序，缓存）我。

Happens-before

规范上，Java内存模型遵行happens-before。

volatile变量在多线程中，写线程和读线程具有happens-before关系。也就是写值的线程要在读取线程之前，并且读线程能完全看见写线程的相关变量。

happens-before：如果两个有两个动作AB，A发生在B之前，那么A的顺序应该在B前面并且A的操作对B完全可见。

happens-before 具有传递性，如果A发生在B之前，而B发生在C之前，那么A发生在C之前。

如何保证可见性

多线程环境下counter变量的更新过程。线程1先从主存拷贝副本到CPU缓存，然后CPU执行counter=7，修改完后写入CPU缓存，等待时机同步到主存。在线程1同步主存前，线程2读到counter值依然为0。此时已经发生内存一致性错误（对于相同的共享数据，多线程读到视图不一致）。因为线程2看不见线程1操作结果，也将这个问题称为可见性问题。

public class SharedObject {
  public int counter = 0;
}

因为多了缓存优化导致，导致可见性问题。所以volatile通过消除缓存（描述可能不太准确）来避免。例如当使用volatile修饰变量后，操作该变量读写直接与主存交互，跳过缓存层，保证其它读线程每次获取的都是最新值。

public volatile int counter = 0;

volatile 不单只消除修饰的变量的缓存。事实上与之相关的变量在读写时也会消除缓存，如同使用了volatile一样。

如下 years，months，days 三个变量中只有days是volatile，但是对years，months读写操作也和days时也会跳过缓存，其它线程每次读到的都是最新值。

public class MyClass {
  private int years;
  private int months
  private volatile int days;
  public int totalDays() {
    int total = this.days;
    total += months * 30;
    total += years * 365;
    return total;
  }
  public void update(int years, int months, int days){
    this.years = years;
    this.months = months;
    this.days  = days;
  }
}

这是为什么？我们分析一下。

一个写线程调用 update，读线程调用totalDays。单线程中，对于update方法，wa与wb存在happens-before关系， wa在 wb 之前执行并对wb可见。

多线程中rc与wb存在happens-before关系，wb在rc之前执行并对rc可见。根据 happens-before传递性，wa需要在rc前先执行并对rc可见。

因为wb是volatile变量，所以rc获取的years，months也是最新值。

我们知道出于性能原因，JVM和CPU会对程序中的指令进行重新排序。如果update方法里面wa和wb顺序被重排，那它们的happens-before关系将不在成立。

为了避免这个问题，volatile对重排序做了保证 对于发生在volatile变量操作前的其他变量的操作不能重新排序。

由此我们得到volatile通过消除缓存和防止重排保证线程的可见性。

volatile保证线程安全？

讨论线程安全，大家都会提及原子性，顺序性，可见性。volatile侧重于保证可见性，也就是当写的线程更新后，读线程总能获得最新值。在只有一个线程写，多个线程读的场景下，volatile能满足线程安全。可如果多个线程同时写入volatile变量时，则需要引入同步语义才能保证线程安全。

模拟10个线程同时写入volatile变量，一个线程读counter，执行完后正确结果应该是counter=10。

  public static class WriterTask implements Runnable {
    private final ShareObject share;
    private final CountDownLatch countDownLatch;
    public WriterTask(ShareObject share, CountDownLatch countDownLatch) {
      this.share = share;
      this.countDownLatch = countDownLatch;
    }
    @Override
    public void run() {
      countDownLatch.countDown();
      share.increase();
    }
  }
  
  public class ShareObject {
    private volatile int counter;
    public void increase() {
      this.counter++;
    }
  }

执行结果出现counter=5或6 错误结果。

通过 synchronized，Lock或AtomicInteger 原子变量保证了结果的正确。

完整demo https://gist.github.com/onlythinking/ba7ca7aa5faf00a58f4cedae474fa6f6

volatile性能

volatile变量带来可见性的保证，访问volatile变量还防止了指令重排序。不过这一切是以牺牲优化（消除缓存，直接操作主存开销增加）为代价，所以不应该滥用volatile，仅在确实需要增强变量可见性的时候使用。

总结

本文记录了volatile变量通过消除缓存，防止指令重排序来保证线程可见性，并且在多线程写入的变量的场景下，不保证线程安全。

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