volatile变量的特性
保证可见性，不保证原子性：
- 当写一个volatile变量时，JMM会把该线程本地内存中的变量强制刷新到主内存中去；
- 这个写操作会导致其他线程中的volatile变量缓存无效。
禁止指令重排，我们回顾一下，重排序需要遵守一定规则：
- 重排序操作不会对存在数据依赖关系的操作进行重排序。比如：a=1;b=a; 这个指令序列，由于第二个操作依赖于第一个操作，所以在编译时和处理器运行时这两个操作不会被重排序。
- 重排序是为了优化性能，但是不管怎么重排序，单线程下程序的执行结果不能被改变。比如：a=1;b=2;c=a+b这三个操作，第一步（a=1)和第二步(b=2)由于不存在数据依赖关系， 所以可能会发生重排序，但是c=a+b这个操作是不会被重排序的，因为需要保证最终的结果一定是c=a+b=3。
volatile禁止指令重排规则
使用volatile关键字修饰共享变量便可以禁止这种重排序。若用volatile修饰共享变量，在编译时，会在指令序列中插入内存屏障来禁止特定类型的处理器重排序，volatile禁止指令重排序也有一些规则：
- 当程序执行到volatile变量的读操作或者写操作时，在其前面的操作的更改肯定全部已经进行，且结果已经对后面的操作可见；在其后面的操作肯定还没有进行；
- 在进行指令优化时，不能将对volatile变量访问的语句放在其后面执行，也不能把volatile变量后面的语句放到其前面执行。
即执行到volatile变量时，其前面的所有语句都执行完，后面所有语句都未执行。且前面语句的结果对volatile变量及其后面语句可见。
volatile禁止指令重排分析
示例：
class ReorderExample {
int a = 0;
boolean volatile flag = false;
public void writer() {
a = 1; //1
flag = true; //2
}
Public void reader() {
if (flag) { //3
int i = a * a; //4
System.out.println(i);
}
}
}根据happens before规则，这个过程建立的happens before 关系可以分为两类：
根据程序次序规则，1 happens before 2; 3 happens before 4。
根据volatile规则，2 happens before 3。
根据happens before 的传递性规则，1 happens before 4。
happens before规则，其实就是重排序规则建立的代码前后依赖关系。
温馨提示：这里大家可能会有疑问，1、3的规则我理解，但是对于2，为什么“2 happens before 3”，还记得前面讲的“内存模型”么？因为你对变量flag指定了volatile，所以当线程A执行完后，变量flag=true会直接刷到内存中，然后B马上可见，所以说2一定是在3前面，不可能因为重排序，导致3在2前面执行。（然后还要提示一下，这里执行时有个前提条件，就是线程A执行完，才能执行线程B里面的逻辑，因为线程A不执行完，flag一直是false，线程B根本就进不到主流程，所以你也可以直接理解为线程A执行完后，再执行线程B，才有这么个先后关系。）
上述happens before关系的图形化表现形式如下：
在上图中，每一个箭头链接的两个节点，代表了一个happens before 关系。黑色箭头表示程序顺序规则；橙色箭头表示volatile规则；蓝色箭头表示组合这些规则后提供的happens before保证。
这里A线程写一个volatile变量后，B线程读同一个volatile变量。A线程在写volatile变量之前所有可见的共享变量，在B线程读同一个volatile变量后，将立即变得对B线程可见。
volatile的原理和实现机制
前面讲述了源于volatile关键字的一些使用，下面我们来探讨一下volatile到底如何保证可见性和禁止指令重排序的。
下面这段话摘自《深入理解Java虚拟机》：
“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前缀指令实际上相当于一个内存屏障（也成内存栅栏），内存屏障会提供3个功能：
1）它确保指令重排序时不会把其后面的指令排到内存屏障之前的位置，也不会把前面的指令排到内存屏障的后面；即在执行到内存屏障这句指令时，在它前面的操作已经全部完成；
2）它会强制将对缓存的修改操作立即写入主存；
3）如果是写操作，它会导致其他CPU中对应的缓存行无效。
使用volatile关键字的场景
synchronized关键字是防止多个线程同时执行一段代码，那么就会很影响程序执行效率，而volatile关键字在某些情况下性能要优于synchronized，但是要注意volatile关键字是无法替代synchronized关键字的，因为volatile关键字无法保证操作的原子性。通常来说，使用volatile必须具备以下2个条件：
1）对变量的写操作不依赖于当前值
2）该变量没有包含在具有其他变量的不变式中
实际上，这些条件表明，可以被写入 volatile 变量的这些有效值独立于任何程序的状态，包括变量的当前状态。
事实上，我的理解就是上面的2个条件需要保证操作是原子性操作，才能保证使用volatile关键字的程序在并发时能够正确执行。
举例：
//单例模式双重锁校验
public class SingTest {
private volatile static SingTest singTest = null;
private SingTest() {
}
public SingTest getSingTest() { //1
if (singTest == null) { //2
synchronized (SingTest.class) { //3
if (null == singTest) { //4
singTest = new SingTest(); //5
}
}
}
return singTest;
}
}在并发情况下，如果没有volatile关键字，在第5行会出现问题。singTest= new SingTest();可以分解为3行伪代码：
a. memory = allocate() //分配内存
b. ctorInstanc(memory) //初始化对象
c. singTest = memory //设置instance指向刚分配的地址上面的代码在编译运行时，可能会出现重排序从a-b-c排序为a-c-b。在多线程的情况下会出现以下问题。当线程A在执行第5行代码时，B线程进来执行到第2行代码。假设此时A执行的过程中发生了指令重排序，即先执行了a和c，没有执行b。那么由于A线程执行了c导致singTest指向了一段地址，所以B线程判断singTest 不为null，会直接跳到第6行并返回一个未初始化的对象。
volatile不适用场景
volatile不适合复合操作
public class VolatileTest {
public volatile int inc = 0;
public void increase() {
inc++;
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
final VolatileTest test = new VolatileTest();
Thread thread = new Thread(()->{
for (int i = 0; i < 3000; i++) {
test.increase();
}
});
Thread thread1 = new Thread(()->{
for (int i = 0; i < 3000; i++) {
test.increase();
}
});
Thread thread2 = new Thread(()->{
for (int i = 0; i < 3000; i++) {
test.increase();
}
});
thread.start();
thread1.start();
thread2.start();
thread.join();
thread1.join();
thread2.join();
System.out.println("inc output:" + test.inc);
}
}执行结果：
inc output:8437大家想一下这段程序的输出结果是多少？也许有些朋友认为是9000。但是事实上运行它会发现每次运行结果都不一致，都是一个小于9000的数字。
可能有的朋友就会有疑问，不对啊，上面是对变量inc进行自增操作，由于volatile保证了可见性，那么在每个线程中对inc自增完之后，在其他线程中都能看到修改后的值啊，所以有3个线程分别进行了3000次操作，那么最终inc的值应该是9000。
这里面就有一个误区了，volatile关键字能保证可见性没有错，但是上面的程序错在没能保证原子性。可见性只能保证每次读取的是最新的值，但是volatile没办法保证对变量的操作的原子性。
在前面已经提到过，自增操作是不具备原子性的，它包括读取变量的原始值、进行加1操作、写入工作内存。那么就是说自增操作的三个子操作可能会分割开执行，就有可能导致下面这种情况出现：
假如某个时刻变量inc的值为10，
线程1对变量进行自增操作，线程1先读取了变量inc的原始值，然后线程1被阻塞了；
然后线程2对变量进行自增操作，线程2也去读取变量inc的原始值，由于线程1只是对变量inc进行读取操作，而没有对变量进行修改操作，所以不会导致线程2的工作内存中缓存变量inc的缓存行无效，所以线程2会直接去主存读取inc的值，发现inc的值时10，然后进行加1操作，并把11写入工作内存，最后写入主存。
然后线程1接着进行加1操作，由于已经读取了inc的值，注意此时在线程1的工作内存中inc的值仍然为10，所以线程1对inc进行加1操作后inc的值为11，然后将11写入工作内存，最后写入主存。
那么两个线程分别进行了一次自增操作后，inc只增加了1。
解释到这里，可能有朋友会有疑问，不对啊，前面不是保证一个变量在修改volatile变量时，会让缓存行无效吗？然后其他线程去读就会读到新的值，对，这个没错。这个就是上面的happens-before规则中的volatile变量规则，但是要注意，线程1对变量进行读取操作之后，被阻塞了的话，并没有对inc值进行修改。然后虽然volatile能保证线程2对变量inc的值读取是从内存中读取的，但是线程1没有进行修改，所以线程2根本就不会看到修改的值。
根源就在这里，自增操作不是原子性操作，而且volatile也无法保证对变量的任何操作都是原子性的。
解决方法
采用synchronized：
public class VolatileTest {
public volatile int inc = 0;
public void increase() {
inc++;
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
final VolatileTest test = new VolatileTest();
Thread thread = new Thread(() -> {
synchronized (VolatileTest.class) {
for (int i = 0; i < 3000; i++) {
test.increase();
}
}
});
Thread thread1 = new Thread(() -> {
synchronized (VolatileTest.class) {
for (int i = 0; i < 3000; i++) {
test.increase();
}
}
});
Thread thread2 = new Thread(() -> {
synchronized (VolatileTest.class) {
for (int i = 0; i < 3000; i++) {
test.increase();
}
}
});
thread.start();
thread1.start();
thread2.start();
thread.join();
thread1.join();
thread2.join();
System.out.println("inc output:" + test.inc);
}
}执行结果：
inc output:9000采用Lock：
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class VolatileTest {
public volatile int inc = 0;
Lock lock = new ReentrantLock();
public void increase() throws InterruptedException {
lock.lock();
inc++;
lock.unlock();
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
final VolatileTest test = new VolatileTest();
Thread thread = new Thread(() -> {
// synchronized (VolatileTest.class) {
for (int i = 0; i < 3000; i++) {
try {
test.increase();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
// }
});
Thread thread1 = new Thread(() -> {
// synchronized (VolatileTest.class) {
for (int i = 0; i < 3000; i++) {
try {
test.increase();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
// }
});
Thread thread2 = new Thread(() -> {
// synchronized (VolatileTest.class) {
for (int i = 0; i < 3000; i++) {
try {
test.increase();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
// }
});
thread.start();
thread1.start();
thread2.start();
thread.join();
thread1.join();
thread2.join();
System.out.println("inc output:" + test.inc);
}
}执行结果：
inc output:9000采用AtomicInteger：
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class VolatileTest {
public AtomicInteger inc = new AtomicInteger();
// Lock lock = new ReentrantLock();
public void increase() throws InterruptedException {
// lock.lock();
inc.getAndIncrement();
// lock.unlock();
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
final VolatileTest test = new VolatileTest();
Thread thread = new Thread(() -> {
// synchronized (VolatileTest.class) {
for (int i = 0; i < 3000; i++) {
try {
test.increase();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
// }
});
Thread thread1 = new Thread(() -> {
// synchronized (VolatileTest.class) {
for (int i = 0; i < 3000; i++) {
try {
test.increase();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
// }
});
Thread thread2 = new Thread(() -> {
// synchronized (VolatileTest.class) {
for (int i = 0; i < 3000; i++) {
try {
test.increase();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
// }
});
thread.start();
thread1.start();
thread2.start();
thread.join();
thread1.join();
thread2.join();
System.out.println("inc output:" + test.inc);
}
}执行结果：
inc output:9000
