引言

volatile关键字虽然从字面上理解起来比较简单，但是要用好不是一件容易的事情。本文我们就从JVM内存模型开始，了解一下volatile的应用场景。

JVM内存模型

在了解volatile之前，我们有必要对JVM的内存模型有一个基本的了解。Java的内存模型规定了所有的变量都存储在主内存中（即物理硬件的内存），每条线程还具有自己的工作内存（工作内存可能位于处理器的高速缓存之中），线程的工作内存中保存了该线程使用到的变量的主内存副本拷贝，线程对变量的所有操作（读取，赋值等）都必须在工作内存中进行，而不能直接读写主内存中的变量）。不同的线程之间无法直接访问对方工作内存之间的变量，线程间变量值的传递需要通过主内存来完成。

p.s: 对于上面提到的副本拷贝，比如假设线程中访问一个10MB的对象，并不会把这10MB的内存复制一份拷贝出来，实际上这个对象的引用，对象中某个在线程访问到的字段是有可能存在拷贝的，但不会有虚拟机实现把整个对象拷贝一次。

在并发编程中，我们通常会遇到以下三个问题：原子性，可见性，有序性，下面我们我们来具体看一下这三个特性与volatile之间的联系：

有序性

public class TestCase {    public static int number;    public static boolean isinited;    public static void main(String[] args) {        new Thread(                () -> {                    while (!isinited) {                        Thread.yield();                    }                    System.out.println(number);                }        ).start();        number = 20;        isinited = true;    }}

对于上面的代码我们上面的本意是想输出20，但是如果运行的话可以发现输出的值可能会是0。这是因为有时候为了提供程序的效率，JVM会做进行及时编译，也就是可能会对指令进行重排序，将isInited = true;放在number = 20;之前执行，在单线程下面这样做没有任何问题，但是在多线程下则会出现重排序问题。如果我们将number声名为volatile就可以很好的解决这个问题，这可以禁止JVM进行指令重排序，也就意味着number = 20;一定会在isInited = true前面执行。

可见性

比如对于变量a，当线程一要修改变量a的值，首先需要将a的值从主存复制过来，再将a的值加一，再将a的值复制回主存。在单线程下面，这样的操作没有任何的问题，但是在多线程下面，比如还有一个线程二，在线程一修改a的值的时候，也从主存将a的值复制过来进行加一，随后线程一和线程二先后将a的值复制回主存，但是主存中a的值最终将只会加一而不是加二。

使用volatile可以解决这个问题，它可以保证在线程一修改a的值之后立即将修改值同步到主存中，这样线程二拿到的a的值就是线程一已经修改过的a的值了。对volatile变量执行写操作时，会在写操作后加入一条store屏障指令，对volatile变量执行读操作时，会在写操作后加入一条load屏障指令。

线程写volatile变量过程：

1. 改变线程工作内存中volatile变量副本的值；

2. 将改变后的副本的值从工作内存刷新到主内存。

线程读volatile变量过程：

1. 从主内存中读取volatile变量的最新值到工作内存中；

2. 从工作内存中读取volatile变量副本。

原子性

原子性是指CPU在执行一条语句的时候，不会中途转去执行另外的语句。比如i = 1就是一个原子操作，但是++i就不是一个原子操作了，因为它要求首先读取i的值，然后修改i的值，最后将值写入主存中。

但是volatile却不能保证程序的原子性，下面我们通过一个实例来验证一下：

public class TestCase {    public volatile int v = 0;    public static final int threadCount = 20;    public void increase() {        v++;    }    public static void main(String[] args) {        TestCase testCase = new TestCase();        for (int i=0; i
    
      {                        for (int j=0; j<1000; j++) {                            testCase.increase();                        }                    }            ).start();        }        while (Thread.activeCount() > 1) {            Thread.yield();        }        System.out.println(testCase.v);    }}
    

输出结果：

18921

上面我们的本意是想让输出20000，但是运行程序后，结果可能会小于20000。因为v++它本身并不是一个原子操作，它是分为多个步骤的，而且volatile本身也并不能保证原子性。

上面的程序使用synchronzied则可以很好的解决，只需要声明public synchronized void increase()就行了。

或者使用lock也行：

Lock lock = new ReentrantLock();public void increase() {    lock.lock();    try {        v++;    } finally {        lock.unlock();    }}

或者将v声明为AtomicInteger v = new AtomicInteger();。在java 1.5的java.util.concurrent.atomic包下提供了一些原子操作类，即对基本数据类型的自增，自减，以及加法操作，减法操作进行了封装，保证这些操作是原子性操作。

单例模式

下面我们通过单例模式来看一下volatile的一个具体应用：

class Singleton {    private volatile static Singleton instance;    public static Singleton getInstance() {        if (instance == null) {            synchronized (Singleton.class) {                if (instance == null)                    instance = new Singleton();            }        }        return instance;    }    public static void main(String[] args) {        Singleton.getInstance();    }}

上面instance必须要用volatile修饰，因为new Singleton是分为三个步骤的：

1. 给instance指向的对象分配内存，并设置初始值为null（根据JVM类加载机制的原理，对于静态变量这一步应该在new Singleton之前就已经完成了）。

2. 执行构造函数真正初始化instance

3. 将instance指向对象分配内存空间（分配内存空间之后instance就是非null了）

在我们的步骤2, 3之间的顺序是可以颠倒的，如果线程一在执行步骤3之后并没有执行步骤2，但是被线程二抢占了，线程二得到的instance是非null，但是instance却还没有初始化。而使用volatile则可以保证程序的有序性。

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