前言

在Java并發(fā)編程中，volatile關鍵字有著至關重要的作用，在面試中也常常會是必備的一個問題。本文將會介紹volatile關鍵字的作用以及其實現(xiàn)原理。

volatile作用

volatile在并發(fā)編程中扮演著重要的角色，volatile是輕量級的synchronized，volatile關鍵字有兩個作用：

1)保證共享變量的可見性

可見性的意思是當一個線程修改一個共享變量時，另外一個線程能讀到這個修改的值。筆者此前一篇文章Java并發(fā)編程：Java內存模型JMM中有說到，Java內存模型中有主內存和本地內存之分，本地內存持有共享變量的一份副本，線程對共享變量的修改是先修改本地內存的副本，然后再回寫到主內存中去。

可能存在這樣的情況，線程A和線程B同時去修改一個共享變量C，假設線程A先對共享變量C做了修改，而此時線程B卻沒能及時感知到共享變量C已經發(fā)生了改變，緊接著B對本地過期的副本數(shù)據(jù)進行了修改，這造成了共享變量的不可見問題。

而使用了volatile關鍵字修改的共享變量，當線程修改了共享變量之后，會立馬刷新到主內存中，并且會使其他線程緩存了該地址的數(shù)據(jù)失效，這就保證了線程之間共享變量的可見性。

2)防止指令重排序

volatile關鍵字的另外一個作用就是防止指令重排序。代碼在實際執(zhí)行過程中，并不全是按照編寫的順序進行執(zhí)行的，在保證單線程執(zhí)行結果不變的情況下，編譯器或者CPU可能會對指令進行重排序，以提高程序的執(zhí)行效率。但是在多線程的情況下，指令重排序可能會造成一些問題，最常見的就是雙重校驗鎖單例模式：

public class SingletonSafe { 
 
   private static volatile SingletonSafe singleton; 
 
   private SingletonSafe() { 
  } 
 
   public static SingletonSafe getSingleton() { 
       if (singleton == null) { 
           synchronized (SingletonSafe.class) { 
               if (singleton == null) { 
                   singleton = new SingletonSafe(); 
              } 
          } 
      } 
       return singleton; 
  } 
} 

如果沒有使用volatile關鍵字，則可能會出現(xiàn)其他線程獲取了一個未初始化完成的singleton對象，具體原因筆者不在這里贅述了，有興趣的同學可以搜索一下“double checked locking with delay initialization”學習下，筆者后續(xù)有時間再寫篇文章分析下。

volatile實現(xiàn)原理

1)可見性實現(xiàn)原理

對于volatile關鍵字修飾的變量，當對volatile變量進行寫操作的時候，JVM會向處理器發(fā)送一條lock前綴的指令，將這個緩存中的變量回寫到系統(tǒng)主存中。但是就算寫回到內存，如果其他處理器緩存的值還是舊的，再執(zhí)行計算操作就會有問題，所以在多處理器下，為了保證各個處理器的緩存是一致的，就會實現(xiàn)緩存一致性協(xié)議。

緩存一致性協(xié)議：每個處理器通過嗅探在總線上傳播的數(shù)據(jù)來檢查自己緩存的值是不是過期了，當處理器發(fā)現(xiàn)自己緩存行對應的內存地址被修改，就會將當前處理器的緩存行設置成無效狀態(tài)，當處理器要對這個數(shù)據(jù)進行修改操作的時候，會強制重新從系統(tǒng)內存里把數(shù)據(jù)讀到處理器緩存里。

所以，如果一個變量被volatile所修飾的話，在每次數(shù)據(jù)變化之后，其值都會被強制刷入主存。而其他處理器的緩存由于遵守了緩存一致性協(xié)議，也會把這個變量的值從主存加載到自己的緩存中。這就保證了一個volatile在并發(fā)編程中，其值在多個緩存中是可見的。

2)防止指令重排序實現(xiàn)原理

volatile防止指令重排序是通過內存屏障來實現(xiàn)的。內存屏障分為如下三種：

Store Barrier

Store屏障，是x86的”sfence“指令，強制所有在store屏障指令之前的store指令，都在該store屏障指令執(zhí)行之前被執(zhí)行。

Load Barrier

Load屏障，是x86上的”ifence“指令，強制所有在load屏障指令之后的load指令，都在該load屏障指令執(zhí)行之后被執(zhí)行

Full Barrier

Full屏障，是x86上的”mfence“指令，復合了load和save屏障的功能。

Java內存模型中volatile變量在寫操作之后會插入一個store屏障，在讀操作之前會插入一個load屏障。一個類的final字段會在初始化后插入一個store屏障，來確保final字段在構造函數(shù)初始化完成并可被使用時可見。也正是JMM在volatile變量讀寫前后都插入了內存屏障指令，進而保證了指令的順序執(zhí)行。