多线程（55）如何使用volatile来保证可见性和有序性

在Java中，volatile关键字主要用于确保变量修改的可见性和操作的有序性。volatile提供了一种避免线程缓存变量副本的方式，确保每次访问变量时都从主内存中读取。

如何保证可见性

当一个字段被声明为volatile，JVM确保所有线程看到这个变量的值是一致的。即，当一个线程修改了这个变量的值，这个新值对于其他线程来说是立即可见的。这是通过在每次访问变量时不从线程的工作内存（本地内存）读取，而是直接从主内存读取，来实现的。

在底层，当CPU写入数据到一个被声明为volatile的变量时，会在写操作后插入一条内存屏障指令，这会使得所有缓存中的这个变量的副本失效，因此其他线程再访问这个变量时会直接从主内存中读取。

如何保证有序性

volatile还可以阻止JVM的指令重排序优化。指令重排序是一种提高执行效率的技术，但有时这种优化会导致在没有适当同步的多线程程序中出现问题。声明为volatile的变量，在写操作后和读操作前，JVM会插入特定类型的内存屏障指令来阻止特定类型的指令重排序，从而保证在volatile变量写操作之后的操作不会被重排序到写操作之前执行，保证了有序性。

示例代码

让我们通过一个简单的例子来演示volatile的可见性：

java 复制代码

public class VolatileExample {
    // 使用volatile关键字声明布尔型变量
    private volatile boolean running = true;

    public void startRunning() {
        new Thread(() -> {
            while (running) {
                // 某些操作
            }
            System.out.println("Thread is stopped.");
        }).start();
    }

    public void stopRunning() {
        running = false;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        VolatileExample example = new VolatileExample();
        example.startRunning();

        // 主线程休眠，确保上面的线程开始运行
        Thread.sleep(1000);

        // 修改running的值，使得上面的线程可以看到变化并停止运行
        example.stopRunning();
    }
}

在这个例子中，running变量被声明为volatile。如果没有volatile修饰，线程内循环可能看不到running变量值的改变，因为这个变量值的变化可能只在主内存中，而线程可能会一直使用CPU缓存中的旧值。使用volatile关键字后，任何对running变量的写操作立即对其他线程可见，从而确保了可见性。

源码层面解析

在JVM层面，volatile的实现依赖于内存屏障（Memory Barriers）。内存屏障是一种CPU指令，用于防止特定类型的操作在屏障之前和之后重排序。Java内存模型（JMM）通过在volatile变量的读写操作前后插入不同类型的内存屏障来防止指令重排序。

写入volatile变量时，会在写操作后插入一个StoreStore屏障（确保在此之前的所有写操作完成）和一个StoreLoad屏障（防止后续任何读写操作提前发生）。
读取volatile变量时，在读操作前插入一个LoadLoad屏障（确保后续读操作获取的是最新数据）和一个LoadStore屏障（确保读取操作不会和后续的写操作重排序）。

通过这种方式，volatile不仅保证了变量修改的可见性，还通过阻止指令重排保证了程序执行的有序性。

尽管volatile能够提供某种程度的线程安全，但它并不能解决所有并发问题。特别是，在涉及到多变量的复杂操作时，仍然需要使用更强大的同步机制（如synchronized或java.util.concurrent中的锁）来保证线程安全。