一、volatile关键字概述
volatile是Java语言中的一个关键字，用于修饰变量，它提供了一种轻量级的同步机制，能够保证变量的可见性 和有序性 ，但不保证原子性。与synchronized相比，volatile更加轻量，不会引起线程上下文的切换和调度，因此在某些场景下性能更好。
二、volatile的作用
1. 保证可见性
可见性是指当一个线程修改了共享变量的值，其他线程能够立即得知这个修改。在Java内存模型(JMM)中，每个线程都有自己的工作内存，线程对变量的操作首先在工作内存中进行，然后再同步到主内存中。
没有volatile的情况：
java
public class VisibilityIssue {
private static boolean flag = false;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
new Thread(() -> {
while (!flag) {
// 空循环
}
System.out.println("Thread 1: Flag changed to true");
}).start();
Thread.sleep(1000); // 确保线程1已启动
new Thread(() -> {
flag = true;
System.out.println("Thread 2: Set flag to true");
}).start();
}
}在这个例子中，线程1可能会陷入死循环，因为线程2修改的flag值对线程1不可见。
使用volatile解决：
java
public class VisibilitySolution {
private static volatile boolean flag = false;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
new Thread(() -> {
while (!flag) {
// 空循环
}
System.out.println("Thread 1: Flag changed to true");
}).start();
Thread.sleep(1000); // 确保线程1已启动
new Thread(() -> {
flag = true;
System.out.println("Thread 2: Set flag to true");
}).start();
}
}添加volatile后，线程1能立即看到线程2对flag的修改，程序能正常退出。
2. 禁止指令重排序
指令重排序是编译器和处理器为了优化程序性能而对指令序列进行重新排序的一种手段。volatile通过插入内存屏障来禁止特定类型的处理器重排序。
重排序问题示例（双重检查锁定单例模式）：
java
public class Singleton {
private static Singleton instance;
private Singleton() {}
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) { // 第一次检查
synchronized (Singleton.class) {
if (instance == null) { // 第二次检查
instance = new Singleton(); // 问题出在这里
}
}
}
return instance;
}
}上述代码在多线程环境下可能会出现问题，因为instance = new Singleton()这一操作可以分为三步：
- 分配内存空间
- 初始化对象
- 将instance指向分配的内存地址
如果发生指令重排序，可能会先执行1和3，最后执行2，导致其他线程获取到未初始化的对象。
使用volatile解决：
java
public class SafeSingleton {
private static volatile Singleton instance;
private Singleton() {}
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
synchronized (Singleton.class) {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
}
}
return instance;
}
}volatile禁止了指令重排序，保证了对象的初始化在引用赋值之前完成。
三、JVM底层实现原理
1. 内存屏障（Memory Barrier）
JVM通过在volatile读写操作前后插入内存屏障来实现其语义：
- LoadLoad屏障 ：对于语句
Load1; LoadLoad; Load2，保证Load1的数据装载先于Load2及后续装载指令 - StoreStore屏障 ：对于语句
Store1; StoreStore; Store2，保证Store1的数据对其他处理器可见先于Store2及后续存储指令 - LoadStore屏障 ：对于语句
Load1; LoadStore; Store2，保证Load1的数据装载先于Store2及后续存储指令 - StoreLoad屏障 ：对于语句
Store1; StoreLoad; Load2，保证Store1的数据对其他处理器可见先于Load2及后续装载指令
在JVM中，volatile变量的写操作前后会插入StoreStore和StoreLoad屏障，读操作前后会插入LoadLoad和LoadStore屏障。
2. 缓存一致性协议（MESI）
现代多核处理器通常使用缓存一致性协议来保证各个CPU缓存中的数据一致性。最著名的是MESI协议（Modified, Exclusive, Shared, Invalid）。当volatile变量被修改时，JVM会向处理器发送一条LOCK前缀的指令（在Intel处理器上），这会：
- 将当前处理器缓存行的数据写回到系统内存
- 这个写回操作会使其他CPU里缓存了该内存地址的数据无效
3. JVM层面的实现
在HotSpot JVM（JDK1.8）中，volatile的实现主要涉及以下部分：
- 字节码层面：volatile变量在访问时会使用ACC_VOLATILE标志
- 解释器层面：在访问volatile变量时会调用特殊的处理例程
- JIT编译器层面：会根据处理器类型插入适当的内存屏障指令
四、volatile的局限性
虽然volatile很有用，但它并不能替代synchronized，因为它不能保证复合操作的原子性。例如：
java
public class VolatileLimitation {
private volatile int count = 0;
public void increment() {
count++; // 这不是原子操作
}
}count++实际上包含读取、修改、写入三个操作，volatile不能保证这三个操作的原子性。在这种情况下，应该使用synchronized或AtomicInteger。
五、volatile的使用场景
- 状态标志：如前面示例中的flag变量
- 一次性安全发布：如单例模式中的双重检查锁定
- 独立观察：定期发布观察结果供程序使用
- 开销较低的读-写锁策略：结合volatile读和synchronized写
六、性能考虑
volatile变量的读操作性能与普通变量几乎相同，因为现代处理器会优化这一过程。而写操作会比普通变量慢，因为它需要插入内存屏障指令，刷新处理器缓存。但相比synchronized，volatile的开销仍然小很多。
七、总结
volatile关键字是Java并发编程中的重要工具，它通过内存屏障和缓存一致性协议保证了变量的可见性和有序性。理解其底层实现原理有助于我们更合理地使用它来解决并发问题。但同时也要认识到它的局限性，在需要保证原子性的场景中，应该选择其他同步机制。