【并发与多线程】Volatile大总结

大佬们的总结文章：
第一篇（偏底层）
第二篇（偏理解）
第三篇（代码解释）
（PS：本文基于以上三篇文章）

一.为什么有volatile

首先java内存模型（JMM）中，每个线程有自己的工作内存，同时还有一个共享的主内存。如下图：

不直接让线程从主内存（MainMemory）中读取数据，是因为cpu的指令速度远超内存的存取速度，所以现代计算机系统都不得不加入一层读写速度尽可能接近处理器运算速度的高速缓存（Cache）来作为内存与处理器之间的缓冲。也就是图中的工作内存。
基于高速缓存的存储交互很好地解决了处理器与内存的速度矛盾，但是也为计算机系统带来更高的复杂度，因为它引入了一个新的问题：缓存一致性（CacheCoherence）。如下图：

假如说线程1修改了data变量的值为1，然后将这个修改写入自己的本地工作内存。那么此时，线程1的工作内存里的data值为1。然而，主内存里的data值还是为0！线程2的工作内存里的data值也还是0。

这就是所谓的java并发编程中的可见性问题：
多个线程并发读写一个共享变量的时候，有可能某个线程修改了变量的值，但是其他线程看不到！也就是对其他线程不可见！

二.volatile的作用及背后的原理

要解决可见性问题，只需要用volatile修饰data。
如下代码：

public class Solution {
  private static volatile int data = 0;
  public static void main(String[] args) {
    DataThread1 d1 = new DataThread1();
    DataThread2 d2 = new DataThread2();
    // 线程1读取和修改data变量值
    d1.run();
    // 线程2读取data变量值
    d2.run();
  }
}

这里说一下volatile的主要功能：

• 第一，一旦data变量定义的时候前面加了volatile来修饰的话，那么线程1只要修改data变量的值，就会在修改完自己本地工作内存的data变量值之后，强制将这个data变量最新的值刷回主内存，必须让主内存里的data变量值立马变成最新的值！

• 第二，如果此时别的线程的工作内存中有这个data变量的本地缓存，也就是一个变量副本的话，那么会强制让其他线程的工作内存中的data变量缓存直接失效过期，不允许再次读取和使用了！

• 第三，如果线程2在代码运行过程中再次需要读取data变量的值，此时尝试从本地工作内存中读取，就会发现这个data = 0已经过期了！此时，他就必须重新从主内存中加载data变量最新的值！那么不就可以读取到data = 1这个最新的值了！

小结：
对一个变量加了volatile关键字修饰之后，只要一个线程修改了这个变量的值，立马强制刷回主内存。
接着强制过期其他线程的本地工作内存中的缓存，最后其他线程读取变量值的时候，强制重新从主内存来加载最新的值！
这样就保证，任何一个线程修改了变量值，其他线程立马就可以看见了！这就是所谓的volatile保证了可见性的工作原理！

volatile主要作用是保证可见性以及有序性。
有序性涉及到较为复杂的指令重排、内存屏障等概念，本文没提及，但是volatile是不能保证原子性的！

• 也就是说，volatile主要解决的是一个线程修改变量值之后，其他线程立马可以读到最新的值，是解决这个问题的，也就是可见性！
• 但是如果是多个线程同时修改一个变量的值，那还是可能出现多线程并发的安全问题，导致数据值修改错乱，volatile是不负责解决这个问题的，也就是不负责解决原子性问题！
• 原子性问题，得依赖synchronized、ReentrantLock等加锁机制来解决。

JMM主要就是围绕着如何在并发过程中如何处理原子性、可见性和有序性这3个特征来建立的，通过解决这三个问题，可以解除缓存不一致的问题。而volatile跟可见性和有序性都有关。
(PS:三种特性看第三篇文章)

三.volatile与synchronized区别

• volatile只能修饰实例变量和类变量，而synchronized可以修饰方法，以及代码块。
• volatile保证数据的可见性，但是不保证原子性(多线程进行写操作，不保证线程安全);而synchronized是一种排他(互斥)的机制。
• volatile用于禁止指令重排序：可以解决单例双重检查对象初始化代码执行乱序问题。
• volatile可以看做是轻量版的synchronized，volatile不保证原子性，但是如果是对一个共享变量进行多个线程的赋值，而没有其他的操作，那么就可以用volatile来代替synchronized，因为赋值本身是有原子性的，而volatile又保证了可见性，所以就可以保证线程安全了。

四.volatile的应用

状态量标记

int a = 0;
volatile bool flag = false;

public void write() {
    a = 2;              //1
    flag = true;        //2
}

public void multiply() {
    if (flag) {         //3
        int ret = a * a;//4
    }
}

单例模式中的应用

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

五.总结

1. volatile修饰符适用于以下场景：某个属性被多个线程共享，其中有一个线程修改了此属性，其他线程可以立即得到修改后的值，比如boolean flag;或者作为触发器，实现轻量级同步。
2. volatile属性的读写操作都是无锁的，它不能替代synchronized，因为它没有提供原子性和互斥性。因为无锁，不需要花费时间在获取锁和释放锁上，所以说它是低成本的。
3. volatile只能作用于属性，我们用volatile修饰属性，这样compilers就不会对这个属性做指令重排序。
4. volatile提供了可见性，任何一个线程对其的修改将立马对其他线程可见，volatile属性不会被线程缓存，始终从主存中读取。
5. volatile提供了happens-before保证，对volatile变量v的写入happens-before所有其他线程后续对v的读操作。
6. volatile可以使得long和double的赋值是原子的。
7. volatile可以在单例双重检查中实现可见性和禁止指令重排序，从而保证安全性。