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一、 volatile基本介绍
Java 语言提供了一种稍弱的同步机制,即 volatile 变量.用来确保将变量的更新操作通知到其他线程,保证了新值能立即同步到主内存,以及每次使用前立即从主内存刷新. 当把变量声明为volatile类型后,编译器与运行时都会注意到这个变量是共享的.
volatile 变量对所有线程是立即可见的,对 volatile 变量所有的写操作都能立即反应到其他线程之中,换句话说:volatile 变量在各个线程中是一致的。
但是volatile并不是线程安全的。
volatile关键字能保证可见性，可见性只能保证每次读取的是最新的值；但是voliate没法保证对变量的操作的原子性。
二、举例说明
/**
*
* @author Yuanyuan
*/
public class Counter
{
public volatile int inc = 0;
//一个线程执行increase的时候能保证得到了最新的当前值，但还没有执行自增操作，该线程就有可能被阻塞，此时其他线程也得到了这个最新值，执行了自增操作，这样之前那个阻塞的线程执行时就出错了。
public void increase()
{
System.out.println(inc);
inc++;
}
public static void main(String[] args)
{
final Counter test = new Counter();
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
new Thread()
{
@Override
public void run()
{
for (int j = 0; j < 1000; j++)
{
test.increase();
}
};
}.start();
}
while (Thread.activeCount() > 1) //保证前面的线程都执行完
{
Thread.yield();
}
System.out.println(test.inc);
}
}
要实现操作的原子性，可以通过以下几种方式：
1.通过Lock
public class Counter
{
public int inc = 0;
Lock lock = new ReentrantLock();
public void increase()
{
lock.lock();
try
{
inc++;
} finally
{
lock.unlock();
}
}
public static void main(String[] args)
{
final Counter test = new Counter();
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
new Thread()
{
@Override
public void run()
{
for (int j = 0; j < 1000; j++)
{
test.increase();
}
};
}.start();
}
while (Thread.activeCount() > 1) //保证前面的线程都执行完
{
Thread.yield();
}
System.out.println(test.inc);
}
}
2.通过synchronized（确保在线程并发执行时，指定该关键字的方法一次仅在一个线程下执行）
public class Test
{
public int inc = 0;
public synchronized void increase()
{
inc++;
}
public static void main(String[] args)
{
final Test test = new Test();
for(int i=0;i<10;i++)
{
new Thread()
{
public void run()
{
for(int j=0;j<1000;j++)
test.increase();
};
}.start();
}
while(Thread.activeCount()>1) //保证前面的线程都执行完
Thread.yield();
System.out.println(test.inc);
}
}
3.通过AtomicInteger
public class Counter
{
public AtomicInteger inc = new AtomicInteger();
public void increase()
{
inc.getAndIncrement();
}
public static void main(String[] args)
{
final Counter test = new Counter();
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
new Thread()
{
@Override
public void run()
{
for (int j = 0; j < 1000; j++)
{
test.increase();
}
};
}.start();
}
while (Thread.activeCount() > 1) //保证前面的线程都执行完
{
Thread.yield();
}
System.out.println(test.inc);
}
}
在java 1.5的java.util.concurrent.atomic包下提供了一些原子操作类，即对基本数据类型的 自增（加1操作），自减（减1操作）、以及加法操作（加一个数），减法操作（减一个数）进行了封装，保证这些操作是原子性操作。atomic是利用CAS来实现原子性操作的（Compare And Swap），CAS实际上是利用处理器提供的CMPXCHG指令实现的，而处理器执行CMPXCHG指令是一个原子性操作。
三、volatile的原理和实现机制
前面讲述了源于volatile关键字的一些使用，下面我们来探讨一下volatile到底如何保证可见性和禁止指令重排序的。
下面这段话摘自《深入理解Java虚拟机》：
“观察加入volatile关键字和没有加入volatile关键字时所生成的汇编代码发现，加入volatile关键字时，会多出一个lock前缀指令”
lock前缀指令实际上相当于一个内存屏障（也成内存栅栏），内存屏障会提供3个功能：
1）它确保指令重排序时不会把其后面的指令排到内存屏障之前的位置，也不会把前面的指令排到内存屏障的后面；即在执行到内存屏障这句指令时，在它前面的操作已经全部完成；
2）它会强制将对缓存的修改操作立即写入主存；
3）如果是写操作，它会导致其他CPU中对应的缓存行无效。
四、使用volatile关键字的场景
synchronized关键字是防止多个线程同时执行一段代码，那么就会很影响程序执行效率，而volatile关键字在某些情况下性能要优于synchronized，但是要注意volatile关键字是无法替代synchronized关键字的，因为volatile关键字无法保证操作的原子性。通常来说，使用volatile必须具备以下2个条件：
1）对变量的写操作不依赖于当前值
2）该变量没有包含在具有其他变量的不变式中
实际上，这些条件表明，可以被写入 volatile 变量的这些有效值独立于任何程序的状态，包括变量的当前状态。
事实上，我的理解就是上面的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。
下面列举几个Java中使用volatile的几个场景。
1.状态标记量
volatile boolean flag = false;
while(!flag){
doSomething();
}
public void setFlag() {
flag = true;
}
volatile boolean inited = false;
//线程1:
context = loadContext();
inited = true;
//线程2:
while(!inited ){
sleep()
}
doSomethingwithconfig(context);
2.double check
class Singleton
{
private volatile static Singleton instance = null;
private Singleton() {
}
public static Singleton getInstance() {
if(instance==null) {
synchronized (Singleton.class) {
if(instance==null)
instance = new Singleton();
}
}
return instance;
}
}
相关理论基础
一、并发编程中的三个概念
在并发编程中，我们通常会遇到以下三个问题：原子性问题，可见性问题，有序性问题。我们先看具体看一下这三个概念：
1.原子性
原子性：即一个操作或者多个操作 要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断，要么就都不执行。
一个很经典的例子就是银行账户转账问题：
比如从账户A向账户B转1000元，那么必然包括2个操作：从账户A减去1000元，往账户B加上1000元。
试想一下，如果这2个操作不具备原子性，会造成什么样的后果。假如从账户A减去1000元之后，操作突然中止。然后又从B取出了500元，取出500元之后，再执行 往账户B加上1000元 的操作。这样就会导致账户A虽然减去了1000元，但是账户B没有收到这个转过来的1000元。
所以这2个操作必须要具备原子性才能保证不出现一些意外的问题。
同样地反映到并发编程中会出现什么结果呢？
举个最简单的例子，大家想一下假如为一个32位的变量赋值过程不具备原子性的话，会发生什么后果？
i = 9;
假若一个线程执行到这个语句时，我暂且假设为一个32位的变量赋值包括两个过程：为低16位赋值，为高16位赋值。
那么就可能发生一种情况：当将低16位数值写入之后，突然被中断，而此时又有一个线程去读取i的值，那么读取到的就是错误的数据。
2.可见性
可见性是指当多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了这个变量的值，其他线程能够立即看得到修改的值。
举个简单的例子，看下面这段代码：
//线程1执行的代码 int i = 0; i = 10;
//线程2执行的代码 j = i;
假若执行线程1的是CPU1，执行线程2的是CPU2。由上面的分析可知，当线程1执行 i =10这句时，会先把i的初始值加载到CPU1的高速缓存中，然后赋值为10，那么在CPU1的高速缓存当中i的值变为10了，却没有立即写入到主存当中。
此时线程2执行 j = i，它会先去主存读取i的值并加载到CPU2的缓存当中，注意此时内存当中i的值还是0，那么就会使得j的值为0，而不是10.
这就是可见性问题，线程1对变量i修改了之后，线程2没有立即看到线程1修改的值。
3.有序性
有序性：即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。举个简单的例子，看下面这段代码：
int i = 0; boolean flag = false; i = 1; //语句1 flag = true; //语句2
上面代码定义了一个int型变量，定义了一个boolean类型变量，然后分别对两个变量进行赋值操作。从代码顺序上看，语句1是在语句2前面的，那么JVM在真正执行这段代码的时候会保证语句1一定会在语句2前面执行吗？不一定，为什么呢？这里可能会发生指令重排序（Instruction Reorder）。
下面解释一下什么是指令重排序，一般来说，处理器为了提高程序运行效率，可能会对输入代码进行优化，它不保证程序中各个语句的执行先后顺序同代码中的顺序一致，但是它会保证程序最终执行结果和代码顺序执行的结果是一致的。
比如上面的代码中，语句1和语句2谁先执行对最终的程序结果并没有影响，那么就有可能在执行过程中，语句2先执行而语句1后执行。
但是要注意，虽然处理器会对指令进行重排序，但是它会保证程序最终结果会和代码顺序执行结果相同，那么它靠什么保证的呢？再看下面一个例子：
int a = 10; //语句1 int r = 2; //语句2 a = a + 3; //语句3 r = a*a; //语句4
这段代码有4个语句，那么可能的一个执行顺序是：语句2 语句1 语句4 语句3
那么可不可能是这个执行顺序呢？
不可能，因为处理器在进行重排序时是会考虑指令之间的数据依赖性，如果一个指令Instruction 2必须用到Instruction 1的结果，那么处理器会保证Instruction 1会在Instruction 2之前执行。
虽然重排序不会影响单个线程内程序执行的结果，但是多线程呢？下面看一个例子：
//线程1:
context = loadContext(); //语句1
inited = true; //语句2
//线程2:
while(!inited ){
sleep()
}
doSomethingwithconfig(context);
上面代码中，由于语句1和语句2没有数据依赖性，因此可能会被重排序。假如发生了重排序，在线程1执行过程中先执行语句2，而此是线程2会以为初始化工作已经完成，那么就会跳出while循环，去执行doSomethingwithconfig(context)方法，而此时context并没有被初始化，就会导致程序出错。
从上面可以看出，指令重排序不会影响单个线程的执行，但是会影响到线程并发执行的正确性。
也就是说，要想并发程序正确地执行，必须要保证原子性、可见性以及有序性。只要有一个没有被保证，就有可能会导致程序运行不正确。
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原文地址：http://my.oschina.net/liuyuanyuangogo/blog/490688
