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volatile關(guān)鍵字是java虛擬機(jī)提供的最輕量級(jí)額的同步機(jī)制。由于volatile關(guān)鍵字與java內(nèi)存模型相關(guān)，因此，我們在介紹volatile關(guān)鍵字之前，對java內(nèi)存模型進(jìn)行更多的補(bǔ)充（之前的博文也曾介紹過）。

1. java內(nèi)存模型（JMM）

JMM是一種規(guī)范，主要用于定義共享變量的訪問規(guī)則，目的是解決多個(gè)線程本地內(nèi)存與共享內(nèi)存的數(shù)據(jù)不一致、編譯器處理器的指令重排序造成的各種線程安全問題，以保障多線程編程的原子性、可見性和有序性。

JMM規(guī)定了所有的變量都存儲(chǔ)在主內(nèi)存中，每條線程還有自己的工作內(nèi)存，線程中的工作內(nèi)存中存儲(chǔ)了該線程用到的變量的主內(nèi)存的拷貝，各線程對變量的所有操作都必須在工作內(nèi)存中進(jìn)行，
線程之間的變量值的傳遞都必須通過主內(nèi)存來進(jìn)行。

JMM定義了8中操作實(shí)現(xiàn)主內(nèi)存與工作內(nèi)存的交互協(xié)議：

• 1）lock：作用于主內(nèi)存，它把一個(gè)變量標(biāo)識(shí)為一條線程的獨(dú)占狀態(tài)。

• 2）unlock：作用于主內(nèi)存，它把一個(gè)處于鎖定狀態(tài)的變量的釋放出來。

• 3）read：作用于主內(nèi)存，它把一個(gè)變量的值從主內(nèi)存?zhèn)鬏數(shù)骄€程的工作內(nèi)存中。

• 4）load：作用于工作內(nèi)存，它把從主內(nèi)存中read到的值放入工作內(nèi)存的變量副本中。

• 5）use：作用于工作內(nèi)存，它把一個(gè)變量的值從主內(nèi)存?zhèn)鬟f給執(zhí)行引擎

• 6）assign：作用與工作內(nèi)存，它把一個(gè)從執(zhí)行引擎接收到的值賦值給工作內(nèi)存的變量。

• 7）store：作用于工作內(nèi)存，把工作內(nèi)存中一個(gè)變量的值傳送到主內(nèi)存。

• 8）write：作用于主內(nèi)存，它把store操作從工作內(nèi)存中得到的值放入主內(nèi)存中的變量中。

這8中操作以及對著8中操作的規(guī)則的限制就能確定哪些內(nèi)存訪問在并發(fā)條件下是線程安全的，這種方式比較繁瑣，jdk1.5之后提出了提出了happens-before規(guī)則來判斷線程是否安全。

可以這么理解，happens-before規(guī)則是JMM的核心.Happens-before就是用來確定兩個(gè)操作的執(zhí)行順序。這兩個(gè)操作可在同一線程中，也可以在兩個(gè)線程中。

happens-before規(guī)定：如果一個(gè)操作happens-before另個(gè)一操作，那么第一個(gè)操作的結(jié)果對第二個(gè)操作可見（但這并不意味著處理器必須按照happens-before順序執(zhí)行，只要不改變執(zhí)行結(jié)果，可任意優(yōu)化）。happens-before規(guī)則已在前邊博文中介紹，這里不再重復(fù)（http://www.cnblogs.com/gdy1993/p/9117331.html）

JMM內(nèi)存規(guī)則僅僅是一種規(guī)則，規(guī)則的最終落實(shí)是通過java虛擬機(jī)、編譯器以及處理器一同協(xié)作來落實(shí)的，而內(nèi)存屏障是java虛擬機(jī)、編譯器、處理器之間溝通的紐帶。

而java原因封裝了這些底層的具體實(shí)現(xiàn)與控制，提供了synchronized、lock和volatile等關(guān)鍵字的來保障多線程安全問題。

2. volatile關(guān)鍵字

（1）volatile對可見性的保證

在介紹volatile關(guān)鍵字之前，先來看這樣一段代碼：

//線程1
    boolean stop = false;
    while(!stop) {
      doSomething();
    }
    //線程2
    stop = true;

有兩個(gè)線程：線程1和線程2，線程1在stop==false時(shí)，不停的執(zhí)行doSomething()方法；線程2在執(zhí)行到一定情況時(shí)，將stop設(shè)置為true，將線程1中斷，很多人采用這種方式中斷線程，但這并不是安全的。因?yàn)閟top作為一個(gè)普通變量，線程2對其的修改，并不能立刻被線程1所感知，即線程1對stop的修改僅僅在自己的工作內(nèi)存中，還沒來的急寫入主內(nèi)存，線程2工作內(nèi)存中的stop并未修改，可能導(dǎo)致線程無法中斷，雖然這種可能性很小，但一旦發(fā)生，后果嚴(yán)重。

而使用volatile變量修飾就能避免這個(gè)問題，這也是volatile第一個(gè)重要含義：

volatile修飾的變量，能夠保證不同線程對這個(gè)變量操作的可見性，即一個(gè)線程修改了這個(gè)變量的值，這個(gè)新值對于其他線程是立即可見的。

volatile的對可見性保證的原理：

對于volatile修飾的變量，當(dāng)某個(gè)線程對其進(jìn)行修改時(shí)，會(huì)強(qiáng)制將該值刷新到主內(nèi)存，這就使得其他線程對該變量在各自工作內(nèi)存中的緩存無效，因而在其他線程對該變量進(jìn)行操作時(shí)，必須從主內(nèi)存中重新加載

（2）volatile對原子性的保障？

首先來看這樣一段代碼（深入理解java虛擬機(jī)）：

public class VolatileTest {
  public static volatile int race = 0;
  
  public static void increase() {
    race++;
  }
  
  public static final int THREAD_COUNT = 20;
  
  public static void main(String[] args) {
    Thread[] threads = new Thread[THREAD_COUNT];
    for (Thread t : threads) {
      t = new Thread(new Runnable() {
        
        @Override
        public void run() {
          for(int i = 0; i < 10000; i++) {
            increase();
          }
        }
      });
      t.start();
    }
    
    while(Thread.activeCount() > 1) {
      Thread.yield();
    }
    
    System.out.println(race);//race < 200000
    
  }
}

race是volatile修飾的共享變量，創(chuàng)建20個(gè)線程對這個(gè)共享變量進(jìn)行自增操作，每個(gè)線程自增的次數(shù)為10000次，如果volatile能夠保證原子性的話，最終race的結(jié)果肯定是200000。但結(jié)果不然，每次程序運(yùn)行race'的值總是小于200000，這也側(cè)面證明了volatile并不能保證共享變量操作的原子性。原理如下：

線程1讀取了race的值，然后cp分配的時(shí)間片結(jié)束，線程2此時(shí)讀取了共享變量的值，并對race進(jìn)行自增操作，并將操作后的值刷新到主內(nèi)存，此時(shí)線程1已經(jīng)讀取了race的值，因此保留的依然是原來的值，此時(shí)這個(gè)值已是舊值，對race進(jìn)行自增操作后刷新到主內(nèi)存，因此主內(nèi)存中的值也是舊值。這也是volatile僅僅能保障讀到的是相對新值的原因。

（3）volatile對有序性的保障

首先來看這樣一段代碼：

//線程1
    boolean initialized = false;
    context = loadContext();
    initialized = true;
    //線程2
    while(!initialized) {
      sleep();
    }
    doSomething(context);

線程2在initialized變量為true時(shí)，使用context變量完成一些操作；線程1負(fù)責(zé)加載context，并在加載完成后將initialized變量設(shè)為true。但是，由于initialized只是一個(gè)普通變量，普通變量僅僅能夠保證在該方法的執(zhí)行過程中，所有依賴賦值結(jié)果的地方都能獲得正確的值，而不能保證變量的賦值順序與程序代碼的執(zhí)行順序一致。因此就可能出現(xiàn)這樣一種情況，當(dāng)線程1將initialized變量設(shè)為true時(shí)，context依然沒有加載完成，但線程2由于讀到initialized為true，就可能執(zhí)行了doSomething()方法，可能會(huì)產(chǎn)生非常奇怪的效果。

而volatile的第二個(gè)語義就是禁止重排序：　

寫volatile變量的操作與該操作之前的任何讀寫操作都不會(huì)被重排序；

讀volatile變量操作與該操作之后的任何讀寫操作都不會(huì)重排序。

（4） volatile的底層實(shí)現(xiàn)原理

java語言底層是通過內(nèi)存屏障來實(shí)現(xiàn)volatile語義的。

對于volatile變量的寫操作：

①java虛擬機(jī)會(huì)在該操作之前插入一個(gè)釋放屏障（loadstore+storestore）,釋放屏障禁止了volatile變量的寫操作與該操作之前的任何讀寫操作的重排序。

②java虛擬機(jī)會(huì)在該操作之后插入一個(gè)存儲(chǔ)屏障（storeload），存儲(chǔ)屏障使得對volatile變量的寫操作能夠同步到主內(nèi)存。

對于volatile變量的讀操作：

③java虛擬機(jī)會(huì)在該操作之前插入一個(gè)loadload，使得每次對volatile變量的讀取都從主內(nèi)存中重新加載（刷新處理器緩存）

④java虛擬機(jī)會(huì)在該操作之后插入一個(gè)獲得屏障（loadstore+loadload），使得volatile后的任何讀寫操作與該操作進(jìn)行重排序。

①③保障可見性，②④保障有序性。

（5）volatile關(guān)鍵字與happens-before的關(guān)系

Happens-before規(guī)則中的volatile規(guī)則為：對于一個(gè)volatile域的寫happens-before后續(xù)每一個(gè)針對該變量的讀操作。

寫線程執(zhí)行write(),然后讀線程執(zhí)行read()方法，圖中每個(gè)箭頭都代表一個(gè)happens-before關(guān)系，黑色箭頭是根據(jù)程序順序規(guī)則，藍(lán)色箭頭根據(jù)volatile規(guī)則，紅色箭頭是根據(jù)傳遞性推出的，即操作2happens-before操作3，即對volatile共享變量的更新操作排在后續(xù)讀取操作之前，對volatile變量的修改對后續(xù)volatile變量的讀取可見。

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