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1概述

针对sychronized,我们知道它是一个重量级的锁，而我们现在要讨论的volatile就是一个轻量级的，不会引起线程切换。在我们讨论volatile的原理之前，我们先来看看Java多线程的一些概念。

2Java多线程的可见性、原子性、有序性

（1）可见性

可见性是指多个线程的情况下，一个线程改变了一个变量的值，而另外的线程能够马上看见这个值得改变。为什么能实现这种功能呢？因为在线程改变值得时候，并没有将这个值得改变先写入工作内存，而是直接写入了主内存，而其他线程读取值得时候也是直接从主内存里面读取，因此这个值能够实现可见性。那么在多线程的代码中如何来实现可见性呢？我们使用关键字volatile来实现可见性。同时还可以使用synchronized和final关键字来实现可见性。volatile关键字实现可见性，可以使变量的改变直接针对主内存，而不是工作内存。而synchronized关键字则是针对一个变量的使用 进行加锁，当变量使用结束，需要释放锁的时候，就将变量的改变刷新到主内存，以方便其他线程能够看见。

（2）原子性

所谓原子性就是一个操作不能够被再次拆分成多个操作，我们就说这个操作具有原子性。比如a = 1,这个操作不能够再次被拆分，我们就说这个操作是具有原子性。而针对a++，这个操作可以被拆分成a=a+1,这个操作就不具有原子性。如果一个操作不是原子性的操作，那么在多线程的时候，它就不是线程安全的。

非原子操作都会存在线程安全问题，需要我们使用同步技术（sychronized）来让它变成一个原子操作。一个操作是原子操作，那么我们称它具有原子性。java的concurrent包下提供了一些原子类，我们可以通过阅读API来了解这些原子类的用法。比如：AtomicInteger、AtomicLong、AtomicReference等。（由Java内存模型来直接保证的原子性变量操作包括read、load、use、assign、store和write六个，大致可以认为基础数据类型的访问和读写是具备原子性的。如果应用场景需要一个更大范围的原子性保证，Java内存模型还提供了lock和unlock操作来满足这种需求，尽管虚拟机未把lock与unlock操作直接开放给用户使用，但是却提供了更高层次的字节码指令monitorenter和monitorexit来隐匿地使用这两个操作，这两个字节码指令反映到Java代码中就是同步块—synchronized关键字，因此在synchronized块之间的操作也具备原子性。）

（3）有序性

有序性是指程序执行的顺序按照代码的先后顺序进行。针对程序的有序性，在线程内部观察线程，永远是有序的。而在其他线程观察本线程，会发现所有线程都是无序的。针对前半句话是指线程内表现为串行语句，而针对后半句话是指指令重排序。

那么在多线程要如何实现线程的有序性呢？可以直接加关键字volatile或者synchronized关键字来保证有序性。

下面我们简单介绍下指令重排序。

在执行程序时为了提高性能，编译器和处理器通常会对指令做重排序：

1. 编译器重排序。编译器在不改变单线程程序语义的前提下，可以重新安排语句的执行顺序；

2. 处理器重排序。如果不存在数据依赖性，处理器可以改变语句对应机器指令的执行顺序；

指令重排序对单线程没有什么影响，它不会影响程序的运行结果，但是会影响多线程的正确性。既然指令重排序会影响到多线程执行的正确性，那么我们就需要禁止重排序。

那么JVM是如何禁止重排序的呢？这个问题稍后回答。

我们先看另一个原则happens-before。

happen-before原则保证了程序的“有序性”，它规定如果两个操作的执行顺序无法从happens-before原则中推到出来，那么他们就不能保证有序性，可以随意进行重排序。

happen-before规则如下：

• 同一个线程中的，前面的操作 happen-before 后续的操作。（即单线程内按代码顺序执行。但是，在不影响在单线程环境执行结果的前提下，编译器和处理器可以进行重排序，这是合法的。换句话说，这一是规则无法保证编译重排和指令重排）。

• 监视器上的解锁操作 happen-before 其后续的加锁操作。（Synchronized 规则）

• 对volatile变量的写操作 happen-before 后续的读操作。（volatile 规则）

• 线程的start() 方法 happen-before 该线程所有的后续操作。（线程启动规则）

• 线程所有的操作 happen-before 其他线程在该线程上调用 join 返回成功后的操作。

• 如果 a happen-before b，b happen-before c，则a happen-before c（传递性）。

我们着重看第三点volatile规则：对volatile变量的写操作 happen-before 后续的读操作。

为了实现volatile内存语义，JMM会重排序，其规则如下：

对happen-before原则有了稍微的了解，我们再来回答这个问题JVM是如何禁止重排序的？

观察加入volatile关键字和没有加入volatile关键字时所生成的汇编代码发现，加入volatile关键字时，会多出一个lock前缀指令。

lock前缀指令其实就相当于一个内存屏障。内存屏障是一组处理指令，用来实现对内存操作的顺序限制。volatile的底层就是通过内存屏障来实现的。下图是完成上述规则所需要的内存屏障：

3Volatile原理

下面我们首先来看一段代码

 

public class VolatileTest {    public static boolean ready;    public static int number;    private static class ReaderThread extends Thread {        @Override        public void run() {            while (!ready) {                System.out.println("run");                Thread.yield();            }            System.out.println(number);        }    }    private static class WriterThread extends Thread {        @Override        public void run() {            ready = true;            number = 42;        }    }    public static void main(String[] args) {        new ReaderThread().start();        new WriterThread().start();    }}

多次执行上面的代码我们就发现如下的执行结果：

runrunrunrunrun42

这说明，写线程对共享数据的改变并没有立刻让读线程看见，这也就是并没有实现线程的可见性。要解决这个问题，我们只需要在我们的共享变量上添加volatile关键字即可。

接下来我们说说volatile的实现原理。使用volatile的时候，数据将会直接被写入主内存，而不会缓存在工作内存，因此针对volatile的关键字修饰的变量的操作，所有线程都是可以看见的，并且这个关键字强调了这个变量是共享的，因此编译器并不会对这个变量进行重排序，同时这个变量的使用不需要对关键字进行加锁，从而不会造成线程的堵塞。

 

 

上面这张图体现了点对非volatile变量操作的时候的内存过程，我们可以看出，如果两个线程位于不同的cpu的时候，他们就会将主内存的数据拷贝到各自的cpu缓存中，从而这很容易造成线程的不安全性。

总结下，我们使用volatile的好处就两点，使变量具有可见性，禁止指令重排序。

参考：程序员dd公纵号