22，线程9-Volatile关键字
一、基本概念
先补充一下概念：Java 内存模型中的可见性、原子性和有序性。
可见性：
可见性是一种复杂的属性，因为可见性中的错误总是会违背我们的直觉。通常，我们无法确保执行读操作的线程能适时地看到其他线程写入的值，有时甚至是根本不可能的事情。为了确保多个线程之间对内存写入操作的可见性，必须使用同步机制。
可见性，是指线程之间的可见性，一个线程修改的状态对另一个线程是可见的。也就是一个线程修改的结果。另一个线程马上就能看到。比如：用volatile修饰的变量，就会具有可见性。volatile修饰的变量不允许线程内部缓存和重排序，即直接修改内存。所以对其他线程是可见的。但是这里需要注意一个问题，volatile只能让被他修饰内容具有可见性，但不能保证它具有原子性。比如 volatile int a = 0；之后有一个操作 a++；这个变量a具有可见性，但是a++ 依然是一个非原子操作，也就是这个操作同样存在线程安全问题。
在 Java 中 volatile、synchronized 和 final 实现可见性。
原子性：
原子是世界上的最小单位，具有不可分割性。比如 a=0；（a非long和double类型） 这个操作是不可分割的，那么我们说这个操作时原子操作。再比如：a++； 这个操作实际是a = a + 1；是可分割的，所以他不是一个原子操作。非原子操作都会存在线程安全问题，需要我们使用同步技术（sychronized）来让它变成一个原子操作。一个操作是原子操作，那么我们称它具有原子性。java的concurrent包下提供了一些原子类，我们可以通过阅读API来了解这些原子类的用法。比如：AtomicInteger、AtomicLong、AtomicReference等。
在 Java 中 synchronized 和在 lock、unlock 中操作保证原子性。
有序性：
Java 语言提供了 volatile 和 synchronized 两个关键字来保证线程之间操作的有序性，volatile 是因为其本身包含“禁止指令重排序”的语义，synchronized 是由“一个变量在同一个时刻只允许一条线程对其进行 lock 操作”这条规则获得的，此规则决定了持有同一个对象锁的两个同步块只能串行执行。
下面内容摘录自《Java Concurrency in Practice》：
下面一段代码在多线程环境下，将存在问题。
/**
* @author zhengbinMac
*/
public class NoVisibility {
private static boolean ready;
private static int number;
private static class ReaderThread extends Thread {
@Override
public void run() {
while(!ready) {
Thread.yield();
}
System.out.println(number);
}
}
public static void main(String[] args) {
new ReaderThread().start();
number = 42;
ready = true;
}
}
NoVisibility可能会持续循环下去，因为读线程可能永远都看不到ready的值。甚至NoVisibility可能会输出0，因为读线程可能看到了写入ready的值，但却没有看到之后写入number的值，这种现象被称为“重排序”。只要在某个线程中无法检测到重排序情况（即使在其他线程中可以明显地看到该线程中的重排序），那么就无法确保线程中的操作将按照程序中指定的顺序来执行。当主线程首先写入number，然后在没有同步的情况下写入ready，那么读线程看到的顺序可能与写入的顺序完全相反。
在没有同步的情况下，编译器、处理器以及运行时等都可能对操作的执行顺序进行一些意想不到的调整。在缺乏足够同步的多线程程序中，要想对内存操作的执行春旭进行判断，无法得到正确的结论。
这个看上去像是一个失败的设计，但却能使JVM充分地利用现代多核处理器的强大性能。例如，在缺少同步的情况下，Java内存模型允许编译器对操作顺序进行重排序，并将数值缓存在寄存器中。此外，它还允许CPU对操作顺序进行重排序，并将数值缓存在处理器特定的缓存中。
volatile是Java提供的一种轻量级的同步机制
Java内存模型
为什么出现这种情况呢，我们需要先了解一下JMM（java内存模型）
java虚拟机有自己的内存模型（Java Memory Model，JMM），JMM可以屏蔽掉各种硬件和操作系统的内存访问差异，以实现让java程序在各种平台下都能达到一致的内存访问效果。
JMM决定一个线程对共享变量的写入何时对另一个线程可见，JMM定义了线程和主内存之间的抽象关系：共享变量存储在主内存(Main Memory)中，每个线程都有一个私有的本地内存（Local Memory），本地内存保存了被该线程使用到的主内存的副本拷贝，线程对变量的所有操作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。这三者之间的交互关系如下
image.png
需要注意的是，JMM是个抽象的内存模型，所以所谓的本地内存，主内存都是抽象概念，并不一定就真实的对应cpu缓存和物理内存。当然如果是出于理解的目的，这样对应起来也无不可。
大概了解了JMM的简单定义后，问题就很容易理解了，对于普通的共享变量来讲，比如我们上文中的status，线程A将其修改为true这个动作发生在线程A的本地内存中，此时还未同步到主内存中去；而线程B缓存了status的初始值false，此时可能没有观测到status的值被修改了，所以就导致了上述的问题。那么这种共享变量在多线程模型中的不可见性如何解决呢？比较粗暴的方式自然就是加锁，但是此处使用synchronized或者Lock这些方式太重量级了，有点炮打蚊子的意思。比较合理的方式其实就是volatile
volatile具备两种特性，第一就是保证共享变量对所有线程的可见性。将一个共享变量声明为volatile后，会有以下效应：
1.当写一个volatile变量时，JMM会把该线程对应的本地内存中的变量强制刷新到主内存中去；
2.这个写会操作会导致其他线程中的缓存无效。
但是需要注意的是，我们一直在拿volatile和synchronized做对比，仅仅是因为这两个关键字在某些内存语义上有共通之处，volatile并不能完全替代synchronized，它依然是个轻量级锁，在很多场景下，volatile并不能胜任。看下这个例子：
package test;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
/**
* Created by chengxiao on 2017/3/18.
*/public class Counter {
public static volatile int num = 0;
//使用CountDownLatch来等待计算线程执行完
staticCountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(30);
public static voidmain(String []args) throws InterruptedException {
//开启30个线程进行累加操作
for(int i=0;i<30;i++){
new Thread(){
public void run(){
for(int j=0;j<10000;j++){
num++;//自加操作 }
countDownLatch.countDown();
}
}.start();
}
//等待计算线程执行完 countDownLatch.await();
System.out.println(num);
}
}
执行结果：
224291
针对这个示例，一些同学可能会觉得疑惑，如果用volatile修饰的共享变量可以保证可见性，那么结果不应该是300000么?
问题就出在num++这个操作上，因为num++不是个原子性的操作，而是个复合操作。我们可以简单讲这个操作理解为由这三步组成:
1.读取
2.加一
3.赋值
所以，在多线程环境下，有可能线程A将num读取到本地内存中，此时其他线程可能已经将num增大了很多，线程A依然对过期的num进行自加，重新写到主存中，最终导致了num的结果不合预期，而是小于30000。
解决num++操作的原子性问题
针对num++这类复合类的操作，可以使用java并发包中的原子操作类原子操作类是通过循环CAS的方式来保证其原子性的。
/**
* Created by chengxiao on 2017/3/18.
*/public class Counter { //使用原子操作类
public staticAtomicInteger num = new AtomicInteger(0);
//使用CountDownLatch来等待计算线程执行完
staticCountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(30);
public static voidmain(String []args) throws InterruptedException {
//开启30个线程进行累加操作
for(int i=0;i<30;i++){
new Thread(){
public void run(){
for(int j=0;j<10000;j++){
num.incrementAndGet();//原子性的num++,通过循环CAS方式
}
countDownLatch.countDown();
}
}.start();
}
//等待计算线程执行完 countDownLatch.await();
System.out.println(num);
}
}
volatile 的读性能消耗与普通变量几乎相同，但是写操作稍慢，因为它需要在本地代码中插入许多内存屏障指令来保证处理器不发生乱序执行。
