volatile 关键字的三大特点【数据可见性、指令禁止重排性、不保证操作原子性】_volidate关键字三大特性

volatile

volatile 关键字的两个作用：保证共享数据可见性、保证指令重排；一个问题：不保证多线程操作共享数据的原子性。

保证共享数据可见性

来看以下代码：

public class VolatileDemo {
    boolean stop = false;

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        VolatileDemo test = new VolatileDemo();

        new Thread(() -> test.execute(), "Thread1").start();
        Thread.sleep(1000);
        new Thread(() -> test.shutdown(), "Thread2").start();
    }

    void execute() {
        while (!stop) {
            String str = "str";
        }
    }

    void shutdown() {
        System.out.println("do stop");
        stop = true;
    }
}
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控制台在打印 do stop 之后，会进入死循环，也就是当stop = true;后，Thread1 还不知道 stop 已经变为 true 了，所以 while 循环会一直执行；增加 volatile，volatile boolean stop = false;，就不会再死循环了。volatile 修饰的变量被改变后，其他使用到该变量的线程能够立即知道。

那为什么不加 volatile，其他的线程就不知道变量被改变呢？这就要说到 JMM（Java 内存模型）

JMM

JMM 描述了Java 程序中各种变量(线程共享变量)的访问规则，以及在 JVM 中将变量存储到内存，从内存中读取变量这样的底层细节。

JMM 的约定

• 所有的共享变量都存储于主内存，这里所说的变量指的是实例变量和类变量，不包含局部变量，因为局部变量是线程私有的，因此不存在竞争问题。
• 每一个线程都有自己的工作内存，当线程要读取主存中变量时，要先将主存中变量读入自己的工作内存中。
• 线程对变量的所有的操作（读，取）都必须经过工作内存，不能直接读写主内存中的变量。
• 线程加锁前，必须读取主存中的新值到工作内存中；线程解锁前，必须把共享变量立刻刷回主存；加锁和解锁用同一把锁
• 不同线程之间也不能直接访问其他线程工作内存中的变量，线程间变量的值的传递需要通过主内存中转来完成。

线程工作内存与主存的八种交互操作

• lock（锁定）作用于主内存的变量，把一个变量标识为线程独占状态
• unlock（解锁）作用于主内存的变量，它把一个处于锁定状态的变量释放出来，释放后的变量才可以被其他线程锁定
• read （读取）作用于主内存变量，它把一个变量的值从主内存传输到线程的工作内存中，以便随后的load动作使用
• load （载入）作用于工作内存的变量，它把read操作从主存中变量放入工作内存中
• use（使用）作用于工作内存中的变量，它把工作内存中的变量传输给执行引擎，每当虚拟机遇到一个需要使用到变量的值，就会使用到这个指令
• assign（赋值）作用于工作内存中的变量，它把一个从执行引擎中接受到的值放入工作内存的变量副本中
• store（存储）作用于主内存中的变量，它把一个从工作内存中一个变量的值传送到主内存中， 以便后续的write使用
• write（写入）作用于主内存中的变量，它把store操作从工作内存中得到的变量的值放入主内存的变量中

八种操作的规则：

• 使用了 read 必须 load，使用了 store 必须 write
• 不允许线程丢弃最近的 assign 操作，即工作内存中数据改变了之后，必须告知主存
• 不允许一个线程将没有 assign 的数据从工作内存同步回主内存
• 一个新的变量必须在主内存中诞生，不允许工作内存直接使用一个未被初始化的变量
• 一个变量同一时间只有一个线程能对其进行 lock。多次 lock 后，必须执行相同次数的 unlock
• 如果对一个变量进行 lock 操作，会清空所有工作内存中此变量的值，在执行引擎使用这个变量前， 必须重新load或assign操作初始化变量的值
• 如果一个变量没有被 lock，就不能对其进行 unlock 操作。也不能 unlock 一个被其他线程锁住的变量
• 对一个变量进行 unlock 操作之前，必须把此变量同步回主内存

因为主内存中变量改变后，线程工作内存中变量未及时改变，才导致变量不可见性的原因，而加了 volatile 之后，主存中变量一旦改变，其他使用到该变量的线程能够立刻知道，并更新工作内存中的变量。

volatile 禁止指令重排

指令重排

为了提高性能，编译器和处理器常常会对既定的代码执行顺序进行指令重排序。

例如在Java中创建对象时，应该遵循以下顺序：
1.计算机先给变量分配内存空间
2.创建出实例对象
3.将该实例对象指向内存
但因为指令重排，可能出现 1>3>2 的情况
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多线程下的指令重排也会产生一些问题，我们用单例模式来举例子：

public class LazySingle {

    private LazySingle() {}

    private static volatile LazySingle lazySingle;

    public static LazySingle getInstance() {
        if (lazySingle == null) {
            synchronized (LazySingle.class) {
                if (lazySingle == null) {
                    lazySingle = new LazySingle();
                    /**
                     * 这是 双重检测模式的 懒汉单例 DCL懒汉式
                     * 多线程下如果变量lazySingle不用volatile修饰 可能出现问题：
                     * 
                     * 1.计算机先给变量分配内存空间
                     * 2.创建出实例对象
                     * 3.将该实例对象指向内存
                     * 
                     * 一般来说是按照1，2，3的步骤
                     * 当发生指令重排，也可能出现1，3，2的情况
                     * 当A线程执行到 new LazySingle() 时，该对象已经被分配了空间但还实例化
                     * B线程判断 lazySingle不为null，但lazySingle此时还未被实例化，就会发生问题
                     *
                     * 所以给 lazySingle 加上关键字volatile，以保证计算机不会指令重排
                     */
                }
            }
        }
        return lazySingle;
    }
}
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volatile 不保证多线程操作共享数据的原子性

来看以下代码：

public class VolatileDemo2 {

    static volatile int num = 0;

    static void add() {
        num++;
    }

    public static void main(String[] args) {
        //volatile不能保证操作数据的原子性
        for (int i = 1; i <= 20; i++) {
            new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                    add();
                }
            }).start();
        }

        while (Thread.activeCount() > 2) {
            Thread.yield();
        }

        System.out.println(num);
    }
}
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这段代码开启了 20 个线程，一个线程对调用一千次 add 方法，按理说最后结果 num 应该等于 20000，但结果都是小于 20000，要保证每次 add 都能执行成功，方法对 num++ 的操作必须要加锁。