Volatile的那些事

上一篇中，我们了解了Synchronized关键字，知道了它的基本使用方法，它的同步特性，知道了它与Java内存模型的关系，也明白了Synchronized可以保证“原子性”，“可见性”，“有序性”。今天我们来看看另外一个关键字Volatile，这也是极其重要的关键字之一。毫不夸张的说，面试的时候谈到Synchronized，必定会谈到Volatile。

一个小栗子

public class Main {
    private static boolean isStop = false;

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            while (true) {
                if (isStop) {
                    System.out.println("结束");
                    return;
                }
            }
        }).start();

        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
            isStop = true;
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

首先定义了一个全局变量：isStop=false。然后在main方法里面开了一个线程，里面是一个死循环，当isStop=true，打印出一句话，结束循环。主线程睡了三秒钟，把isStop改为true。

按道理来说，3秒钟后，会打印出一句话，并且结束循环。但是，出人意料的事情发生了，等了很久，这句话迟迟没有出现，也没有结束循环。

这是为什么？这又和内存模型有关了，由此可见，内存模型是多么重要，不光是Synchronized，还是这次的Volatile都和内存模型有关。

问题分析

我们再来看看内存模型：

线程的共享数据是存放在主内存的，每个线程都有自己的本地内存，本地内存是线程独享的。当一个线程需要共享数据，是先去本地内存中查找，如果找到的话，就不会再去主内存中找了，需要修改共享数据的话，是先把主内存的共享数据复制一份到本地内存,然后在本地内存中修改，再把数据复制到主内存。

如果把这个搞明白了，就很容易理解为什么会产生上面的情况了：

isStop是共享数据，放在了主内存，子线程需要这个数据，就把数据复制到自己的本地内存，此时isStop=false，以后直接读取本地内存就可以。主线程修改了isStop，子线程是无感知的，还是去本地内存中取数据，得到的isStop还是false，所以就造成了上面的情况。

Volatile与可见性

如何解决这个问题呢，只需要给isStop加一个Volatile关键字：

public class Main {
    private static volatile boolean isStop = false;

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            while (true) {
                if (isStop) {
                    System.out.println("结束");
                    return;
                }
            }
        }).start();

        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
            isStop = true;
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

运行，问题完美解决。

Volatile的作用：

1. 当一个变量加了volatile关键字后，线程修改这个变量后，强制立即刷新回主内存。

2. 如果其他线程的本地内存中有这个变量的副本，会强制把这个变量过期，下次就不能读取这个副本了，那么就只能去主内存取，拿到的数据就是最新的。

正是由于这两个原因，所以Volatile可以保证“可见性”。

Volatile与有序性

指令重排的基本概念就不再阐述了，上两节内容已经介绍了指令重排的基本概念。

指令重排遵守的happens-before规则，其中有一条规则，就是Volatile规则：

被Volatile标记的不允许指令重排。

所以，Volatile可以保证“有序性”。

那内部是如何禁止指令重排的呢?在指令中插入内存屏障。

内存屏障有四种类型，如下所示：

在生成指令序列的时候，会根据具体情况插入不同的内存屏障。

总结下，Volatile可以保证“可见性”，“有序性”。

Volatile与单例模式

public class Main {
    private static Main main;

    private Main() {
    }

    public static Main getInstance() {
        if (main != null) {
            synchronized (Main.class) {
                if (main != null) {
                    main = new Main();
                }
            }
        }
        return main;
    }
}

这里比较经典的单例模式，看上去没什么问题，线程安全，性能也不错，又是懒加载，这个单例模式还有一个响当当的名字：DCL。

但是实际上，还是有点问题的，问题就出在

  main = new Main();

这又和内存模型有关系了。执行这个创建对象会有3个步骤：

1. 分配内存
2. 执行构造方法
3. 指向地址

说明创建对象不是原子性操作，但是真正引起问题的是指令重排。先执行2，还是先执行3，在单线程中是无所谓的，但是在多线程中就不一样了。如果线程A先执行3，还没来得及执行2，此时，有一个线程B进来了，发现main不为空了，直接返回main，然后使用返回出来的main，但是此时main还不是完整的，因为线程A还没有来得及执行构造方法。

所以单例模式得在定义变量的时候，加上Volatile，即：

public class Main {
    private volatile static Main main;

    private Main() {
    }

    public static Main getInstance() {
        if (main == null) {
            synchronized (Main.class) {
                if (main == null) {
                    main = new Main();
                }
            }
        }
        return main;
    }
}

这样就可以避免上面所述的问题了。

好了，这篇文章到这里主要内容就结束了，总结全文：Volatile可以保证“有序性”，“可见性”，但是无法保证“原子性”。

题外话

嘿嘿，既然上面说的是主要内容结束了，就代表还有其他内容。

我们把文章开头的例子再次拿出来：

public class Main {
    private static boolean isStop = false;

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            while (true) {
                if (isStop) {
                    System.out.println("结束");
                    return;
                }
            }
        }).start();

        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
            isStop = true;
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

如果既想让子线程结束，又不想加Volatile关键字怎么办？这真的可以做到吗？当然可以。

public class Main {
    private static boolean isStop = false;

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            while (true) {
                try {
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                if (isStop) {
                    System.out.println("结束");
                    return;
                }
            }
        }).start();

        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
            isStop = true;
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

在这里，我让子线程也睡了一秒，运行程序，发现子线程停止了。

public class Main {
    private static boolean isStop = false;

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            while (true) {
                System.out.println("Hello");
                if (isStop) {
                    System.out.println("结束");
                    return;
                }
            }
        }).start();

        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
            isStop = true;
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

我把上面的让子线程睡一秒钟的代码替换成 System.out.println，竟然也成功让子线程停止了。

public class Main {
    private static boolean isStop = false;

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            while (true) {
                Random random=new Random();
                random.nextInt(150);
                if (isStop) {
                    System.out.println("结束");
                    return;
                }
            }
        }).start();

        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
            isStop = true;
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

这样也可以。

为什么呢？

因为JVM会尽力保证内存的可见性，即使这个变量没有加入Volatile关键字，主要CPU有时间，都会尽力保证拿到最新的数据。但是第一个例子中，CPU不停的在做着死循环，死循环内部就是判断isStop，没有时间去做其他的事情，但是只要给它一点机会，就像上面的 睡一秒钟，打印出一句话，生成一个随机数，这些操作都是比较耗时的，CPU就可能可以去拿到最新的数据了。不过和Volatile不同的是 Volatile是强制内存“可见性”，而这里是可能可以。