volatile关键字介绍-Java

volatile 是 Java 中用于修饰变量的关键字，常用于多线程编程。它是一个轻量级的同步机制，用来确保共享变量在多个线程之间的可见性，并防止指令重排序。

1. volatile 的特性

volatile 修饰的变量具备以下两个关键特性：

1.可见性（Visibility）：

• 当一个线程修改了 volatile 修饰的变量，修改后的值会立刻被刷新到主内存。
• 其他线程读取这个变量时，会直接从主内存中读取最新值，而不是从线程的工作内存中读取旧值。效果：所有线程对 volatile 变量的访问是最新的。

2.禁止指令重排序（Orderliness）：

• 在 volatile 变量的读写操作前后，编译器和处理器不会对代码进行重排序。
• 效果：确保对 volatile 变量的操作顺序符合程序的逻辑预期。

2. volatile 的实现原理

(1) 内存可见性原理

• Java 内存模型（JMM）：
• Java 使用主内存（Main Memory）和线程工作内存（Working Memory）来管理共享变量。
• 通常，线程会将共享变量从主内存拷贝到自己的工作内存中，进行操作后再写回主内存。
• volatile 保证变量的修改会立即刷新到主内存，同时禁止线程从工作内存中读取过期数据。

(2) 指令重排序规则

• 编译器和 CPU 在执行程序时，可能会出于性能优化对指令进行重排序。
• 使用 volatile 修饰变量后，读写操作会添加内存屏障（Memory Barrier），防止指令重排序。
• 内存屏障是一种 CPU 指令，确保屏障前的所有操作在屏障之后的操作之前完成。

3. volatile 的使用场景

(1) 状态标志变量

volatile 常用于表示线程间的状态，例如停止标志。

public class VolatileFlag {
    private volatile boolean running = true;

    public void stop() {
        running = false; // 修改 running 状态
    }

    public void execute() {
        while (running) {
            // 执行任务
        }
    }
}

• 这里的 volatile 保证了 running 对所有线程的可见性。

(2) 单例模式的双重检查锁

volatile 可用于确保双重检查锁的线程安全。

public class Singleton {
    private static volatile Singleton instance;

    private Singleton() {}

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

• 这里的 volatile 防止实例化过程中指令重排序导致的线程安全问题。

(3) 配合非阻塞算法volatile 可以在某些非阻塞算法中保证共享变量的可见性。例如，计数器递增：

public class Counter {
    private volatile int count = 0;

    public void increment() {
        count++;
    }
}

注意：count++ 不是原子操作，此处仅展示可见性。如果需要原子性，需使用 AtomicInteger。

4. volatile 的局限性

1. 不保证原子性：volatile 只能保证变量的可见性，不能保证操作的原子性。
2. 仅适用于单个变量：volatile 只能保证单个变量的可见性，对于复合操作（如 i++）或多个变量的操作不提供安全性。
3. 性能开销：使用 volatile 会降低一定的性能，因为它需要频繁地刷新主内存，导致缓存失效。

5. volatile 与 synchronized 的对比

6. volatile 与 Atomic 的对比

7. 关键点总结

• 何时使用 volatile：
• 当变量需要被多个线程共享，并且是单个变量的简单状态标志时（如停止标志、状态标识）。
• 不涉及复合操作（如 x++ 或 x = x + 1）。
• 何时不适用 volatile：
• 如果需要保证操作的原子性（如计数器递增），则 volatile 不适合。
• 涉及多个变量之间的同步或复合操作时，volatile 无法解决问题，需要使用 synchronized 或其他并发工具。