【㉿Java并发】对并发熟悉吗？谈谈对volatile的使用及其原理

volatile的作用

通常情况下我们可以通过synchronized关键字来解决可见性、有序性及原子性问题，synchronized是一个比较重量级的操作，对系统的性能有比较大的影响，所以，如果有其他解决方案，我们通常都避免使用synchronized来解决问题。

volatile关键字就是Java中提供的另一种解决可见性和有序性问题的方案。对于原子性，需要强调一点：对volatile变量的单次读/写操作可以保证原子性的，如long和double类型变量，但是并不能保证i++这种操作的原子性，因为本质上i++是读、写两次操作。

volatile的使用

禁止重排序

在并发环境下的单例实现方式，我们通常可以采用双重检查加锁（DCL）的方式来实现。但是我们通常需要在单例实例变量singleton之间加上volatile关键字，这是为什么？要理解这个问题，先要了解对象的构造过程，实例化一个对象其实可以分为三个步骤：

但是由于操作系统可以对指令进行重排序，所以上面的过程也可能会变成如下过程：

如果是这个流程，多线程环境下就可能将一个未初始化的对象引用暴露出来，从而导致不可预料的结果。因此，为了防止这个过程的重排序，我们需要将变量设置为volatile类型的变量。

实现可见性

可见性问题主要指一个线程修改了共享变量值，而另一个线程却看不到。引起可见性问题的主要原因是每个线程拥有自己的一个高速缓存区——线程工作内存。

volatile的原理

可见性实现

线程本身并不直接与主内存进行数据的交互，而是通过线程的工作内存来完成相应的操作。这也是导致线程间数据不可见的本质原因。因此要实现volatile变量的可见性，直接从这方面入手即可。对volatile变量的写操作与普通变量的主要区别有两点：

有序性实现

happen-before规则通俗讲，就是如果a happen-before b，则a所做的任何操作对b是可见的。（这一点大家务必记住，因为happen-before这个词容易被误解为是时间的前后）。

JSR 133中定义了这些happen-before规则：

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）。

内存屏障

为了实现volatile可见性和happen-before的语义。JVM底层是通过一个叫做“内存屏障”的东西来完成。内存屏障，也叫做内存栅栏，是一组处理器指令，用于实现对内存操作的顺序限制。

参考：