【JVM】谈谈你对volatile的理解

大多数的面试中，都会问到这个问题，基本成为了Java程序员必备的知识了。
本文带你一次性理清答题思路及扩展

1. JMM（Java内存模型）

1.1 定义及规定

1.1.1 定义

JMM 本身是一种抽象的概念并不是真实存在，它描述的是一组规定或则规范，通过这组规范定义了程序中的访问方式。

1.1.2 规定

• 线程解锁前，必须把共享变量的值刷新回主内存
• 线程加锁前，必须读取主内存的最新值到自己的工作内存
• 加锁解锁是同一把锁

1.2 三大特性

1.2.1 可见性

线程对变量的操作(读取赋值等)必须在工作内存中进行，首先要将变量从主内存拷贝的自己的工作内存空间，然后对变量进行操作，操作完成后再将变量写回主内存

一旦主内存中的变量发生改变，必须让所有的线程都能看见，第一时间通知，这就是可见性

1.2.2 原子性

1.2.3 有序性

2. volatile

1.1 volatile是什么？

volatile 是 Java 虚拟机提供的轻量级的同步机制

1.2 三大特性

他的特点和我们的JMM也有点类似，volatile 不保证原子性，保证可见性和禁止指令重排

1.2.1 保证可见性

线程对变量的操作(读取赋值等)必须在工作内存中进行，首先要将变量从主内存拷贝的自己的工作内存空间，然后对变量进行操作，操作完成后再将变量写回主内存

如果不加 volatile 关键字，则主线程会进入死循环，加 volatile 则主线程能够退出，说明加了 volatile 关键字变量，当有一个线程修改了值，会马上被另一个线程感知到，当前值作废，从新从主内存中获取值。对其他线程可见，这就叫可见性。

class Mydata {
    
    
	volatile int number = 0;

	public void add() {
    
    
		this.number = 60;
	}
}
/*
 * 1 验证volatile的可见性 
 *  1.1 假如 int number = 0;
 *      number变量之前根本没有添加volatile关键字修饰
 */

public class SeeOkValatile {
    
    
	public static void main(String[] args) {
    
    
		Mydata mydata = new Mydata();
		new Thread(() -> {
    
    
			System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t come in");
			try {
    
    
				TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
			} catch (Exception e) {
    
    
				e.getStackTrace();
			}
			mydata.add();
			System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t update number " + mydata.number);
		}, "aaa").start();

		// 傻乎乎的在这转着
		while (mydata.number == 0) {
    
    

		}

		System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " ");
	}
}

1.2.2 不保证原子性

1.2.2.1 什么是原子性？

不可分割，完整性，也就是某个线程正在做某个具体业务时，中间不可以被加塞或者被分割，需要整体完整，要么同时成功，要么同时失败

class MydataDemo {
    
    
	volatile int number = 0;

	public void add() {
    
    
		this.number = 60;
	}

	// 请注意：此时number前面是加了volatile修饰的
	public void addPlus() {
    
    
		number++;
	}

	AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();

	public void addAtomic() {
    
    
		atomicInteger.getAndIncrement();
	}
}
/*
 * 验证volatile的原子性
 * 
 * 2.3 why 对于number++这个操作 分为3步： 
 * 			1. A = number 线程从主内存中拿到该值 
 * 			2. B = A + 1  在自己的线程内存中加一 
 * 			3. number = B 最后存入到主内存中
 * 		由于多线程的并发性，可能导致值的覆盖
 * 
 * 2.4 怎么解决?
 * 		加synchronizedvoid
 * 		使用AtomicInteger，原子类的数据
 */

public class SeeOkValatile2 {
    
    
	public static void main(String[] args) {
    
    
		MydataDemo mydataDemo = new MydataDemo();

		for (int i = 0; i < 20; i++) {
    
    
			new Thread(() -> {
    
    
				for (int j = 0; j < 1000; j++) {
    
    
					mydataDemo.addPlus();
					mydataDemo.addAtomic();
				}
			}, String.valueOf(i)).start();
		}

		while (Thread.activeCount() > 2) {
    
    
			// 礼让线程
			Thread.yield();
		}
		System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "number is->" + mydataDemo.number);
		System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "number is->" + mydataDemo.atomicInteger);
	}
}

关于count++的知识：

1.2.3 禁止指令重排

计算机在执行程序时，为了提高性能，编译器个处理器常常会对指令做重排，一般分为以下 3 种

• 编译器优化的重排
• 指令并行的重排
• 内存系统的重排

1. 单线程环境里面确保程序最终执行结果和代码顺序执行的结果一致。
2. 处理器在进行重排序时必须要考虑指令之间的数据依颍悝
3. 多线程环境中线程交替执行,由于编译器优化重排的存在，两个线程中使用的变量能否保证一致性是无法确定的,结果无法预测

class ReOrderDemo {
    
    
    int a = 0;
    boolean flag = false;
 
    public void write() {
    
    
        a = 1;                   //1
        flag = true;             //2
    }
     
    public void read() {
    
    
        if (flag) {
    
                    //3
            int i =  a * a;        //4
    		
        }
    }
}
// 单线程：1234
// 多线程：会出现混乱的错误，指令重排

1.2.3.1 禁止指令重排的实现

volatile 实现禁止指令重排序的优化，从而避免了多线程环境下程序出现乱序的现象

内存屏障（Memory Barrier）又称内存栅栏，是一个 CPU 指令，他的作用有两个：

• 保证特定操作的执行顺序
• 保证某些变量的内存可见性（利用该特性实现 volatile 的内存可见性）

由于编译器个处理器都能执行指令重排序优化，如果在指令间插入一条 Memory Barrier 则会告诉编译器和 CPU，不管什么指令都不能个这条 Memory Barrier 指令重排序，也就是说通过插入内存屏障禁止在内存屏障前后执行重排序优化。内存屏障另一个作用是强制刷出各种 CPU 缓存数据，因此任何 CPU 上的线程都能读取到这些数据的最新版本。

1.3 线程安全性获得保证

工作内存与主内存同步延迟现象导致可见性问题

• 可以使用 synchronzied 或 volatile 关键字解决，它们可以使用一个线程修改后的变量立即对其他线程可见

对于指令重排导致可见性问题和有序性问题

• 可以利用 volatile 关键字解决，因为 volatile 的另一个作用就是禁止指令重排序优化

1.4 你在哪里用到过volatile

单例模式下的DCL

正常情况

1. 分配对象内存空间
2. 初始化对象
3. 设置instance指向刚分配的内存地址，此时instance != null

指令重排

1. 分配对象内存空间
2. 设置instance指向刚分配的内存地址，此时instance != null 我们的对象还没有初始化
3. 初始化对象

public class SingletonDemo {
    
    
	private static volatile SingletonDemo instance = null;

	private SingletonDemo() {
    
    
		System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "我是构造方法");
	}

	// DCL Double Check Lock双端检锁机制
	public static synchronized SingletonDemo getInstance() {
    
    
		if (instance == null) {
    
    
			synchronized (SingletonDemo.class) {
    
    
				if (instance == null) {
    
    
					instance = new SingletonDemo();
				}
			}
		}
		return instance;
	}

	public static void main(String[] args) {
    
    
		// 单线程(main线程的操作动作----)
		// System.out.println(SingletonDemo.getInstance() ==
		// SingletonDemo.getInstance());
		// System.out.println(SingletonDemo.getInstance() ==
		// SingletonDemo.getInstance());
		// System.out.println(SingletonDemo.getInstance() ==
		// SingletonDemo.getInstance());
		for (int i = 0; i <= 10; i++) {
    
    
			new Thread(() -> {
    
    
				SingletonDemo.getInstance();
			}, String.valueOf(i)).start();
		}
	}
}