Java 语言中的 volatile关键字

可以被看作是一种 “程度较轻的 synchronized”；与 synchronized 块相比，volatile 变量所需的编码较少，并且运行时开销也较少，但是它所能实现的功能也仅是同步块的一部分。

锁提供了两种主要特性：互斥（mutual exclusion） 和可见性（visibility）。互斥即一次只允许一个线程持有某个特定的锁，因此可使用该特性实现对共享数据的协调访问协议，这样，一次就只有一个线程能够使用该共享数据。可见性要更加复杂一些，它必须确保释放锁之前对共享数据做出的更改对于随后获得该锁的另一个线程是可见的 —— 如果没有同步机制提供的这种可见性保证，线程看到的共享变量可能是修改前的值或不一致的值，这将引发许多严重问题。

Volatile 变量

Volatile 变量具有 synchronized 的可见性特性，但是不具备原子特性。这就是说线程能够自动发现 volatile 变量的最新值。Volatile 变量可用于提供线程安全，但是只能应用于非常有限的一组用例：多个变量之间或者某个变量的当前值与修改后值之间没有约束。因此，单独使用 volatile 还不足以实现计数器、互斥锁或任何具有与多个变量相关的不变式（Invariants）的类（例如 “start <=end”）。

出于简易性或可伸缩性的考虑，您可能倾向于使用 volatile 变量而不是锁。当使用 volatile 变量而非锁时，某些习惯用法（idiom）更加易于编码和阅读。此外，volatile 变量不会像锁那样造成线程阻塞，因此也很少造成可伸缩性问题。在某些情况下，如果读操作远远大于写操作，volatile 变量还可以提供优于锁的性能优势。

正确使用 volatile 变量的条件

您只能在有限的一些情形下使用 volatile 变量替代锁。要使 volatile 变量提供理想的线程安全，必须同时满足下面两个条件：

• 对变量的写操作不依赖于当前值。
• 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。

第一个条件的限制使 volatile 变量不能用作线程安全计数器。虽然增量操作（x++）看上去类似一个单独操作，实际上它是一个由读取－修改－写入操作序列组成的组合操作，必须以原子方式执行，而 volatile 不能提供必须的原子特性。实现正确的操作需要使 x 的值在操作期间保持不变，而 volatile 变量无法实现这点。（然而，如果将值调整为只从单个线程写入，那么可以忽略第一个条件。）

大多数编程情形都会与这两个条件的其中之一冲突，使得 volatile 变量不能像 synchronized 那样普遍适用于实现线程安全。

当一个共享变量被volatile修饰时，它会保证修改的值立即被更新到主存“， 通俗来说就是，线程A对一个volatile变量的修改，对于其它线程来说是可见的，即线程每次获取volatile变量的值都是最新的。

volatile的使用场景

通过关键字sychronize可以防止多个线程进入同一段代码，在某些特定场景中，volatile相当于一个轻量级的sychronize，因为不会引起线程的上下文切换，但是使用volatile必须满足两个条件：

1、对变量的写操作不依赖当前值，如多线程下执行a++，是无法通过volatile保证结果准确性的;

2、该变量没有包含在具有其它变量的不变式中，这句话有点拗口，看代码比较直观。

public class NumberRange {
　　private volatile int lower = 0;
　　private volatile int upper = 10;
　　public int getLower() { return lower; }
　　public int getUpper() { return upper; }
　　public void setLower(int value) {
　　if (value > upper)
　 　throw new IllegalArgumentException(...);
　 　lower = value;
　　}
　　public void setUpper(int value) {
　　 if (value < lower)
　　 throw new IllegalArgumentException(...);
　　 upper = value;
　　}
}

代码中，上下界初始化分别为0和10，假设线程A和B在某一时刻同时执行了setLower(8)和setUpper(5)，且都通过了不变式的检查，设置了一个无效范围(8, 5)，所以在这种场景下，需要通过sychronize保证方法setLower和setUpper在每一时刻只有一个线程能够执行。

在项目中经常会用到volatile关键字的两个场景：

1、状态标记量

在高并发的场景中，通过一个boolean类型的变量isopen，控制代码是否走促销逻辑，该如何实现?

public class ServerHandler {
　　private volatile isopen;
　　public void run() {
　　if (isopen) {
　　//促销逻辑
　　} else {
　　//正常逻辑
　　}
　}
　　public void setIsopen(boolean isopen) {
　 　this.isopen = isopen
　　}
}

场景细节无需过分纠结，这里只是举个例子说明volatile的使用方法，用户的请求线程执行run方法，如果需要开启促销活动，可以通过后台设置，具体实现可以发送一个请求，调用setIsopen方法并设置isopen为true，由于isopen是volatile修饰的，所以一经修改，其他线程都可以拿到isopen的最新值，用户请求就可以执行促销逻辑了。

2、double check

单例模式的一种实现方式，但很多人会忽略volatile关键字，因为没有该关键字，程序也可以很好的运行，只不过代码的稳定性总不是100%，说不定在未来的某个时刻，隐藏的bug就出来了。

class Singleton {
　　private volatile static Singleton instance;
　　public static Singleton getInstance() {
　　if (instance == null) {
　　 syschronized(Singleton.class) {
　 　if (instance == null) {
　　 instance = new Singleton();
　　 }
　 　}
　　}
　　return instance;
　}
}

CPU为了提高处理性能，并不直接和内存进行通信，而是将内存的数据读取到内部缓存(L1，L2)再进行操作，但操作完并不能确定何时写回到内存，如果对volatile变量进行写操作，当CPU执行到Lock前缀指令时，会将这个变量所在缓存行的数据写回到内存，不过还是存在一个问题，就算内存的数据是最新的，其它CPU缓存的还是旧值，所以为了保证各个CPU的缓存一致性，每个CPU通过嗅探在总线上传播的数据来检查自己缓存的数据有效性，当发现自己缓存行对应的内存地址的数据被修改，就会将该缓存行设置成无效状态，当CPU读取该变量时，发现所在的缓存行被设置为无效，就会重新从内存中读取数据到缓存中。

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