volatile 关键字详解

介绍

Java中的volatile关键字是一个用于确保变量在多线程环境下的可见性和部分有序性的修饰符。当一个字段被声明为volatile时，它具有以下特性：

1. 可见性：在多线程环境中，一个线程修改了一个volatile变量的值，这个新值对其他线程来说是立即可见的。这意味着当一个线程更新了一个volatile变量，其他线程读取这个变量时会看到最新的值。

2. 有序性：volatile关键字可以防止指令重排序优化。在多线程环境中，为了提高性能，编译器和处理器常常会对指令顺序进行重排序。但是，当变量被声明为volatile时，它会确保在这个变量的读写操作前后不会进行重排序，从而在一定程度上保持了代码的执行顺序。

3. 非原子性：尽管volatile提供了可见性和有序性保证，但它并不保证操作的原子性。例如，自增操作（i++）不是原子的，即使变量i是volatile的。因此，在涉及复合操作（如i++）时，仍然需要额外的同步措施，比如使用synchronized关键字或java.util.concurrent包中的原子类。

使用场景举例：

1. 状态标记：当一个变量用于指示发生了一个重要的一次性事件，比如线程中断信号。
   Double-check locking：双重检查锁定模式中的单例实现，volatile可以确保单例对象的正确创建。
2. volatile关键字是理解Java内存模型（Java Memory Model, JMM）和构建线程安全的并发应用的一个重要部分。不过，需要注意的是，滥用volatile可能会导致性能问题，因为每次访问volatile变量都需要从主内存中读取，而不是从线程的本地缓存。因此，它的使用应该根据具体场景慎重考虑。

QA问答

详细说明为什么复合操作会导致非原子性问题？

复合操作导致非原子性问题的根本原因在于复合操作不是单一的、不可分割的操作，而是由多个步骤组成的。在多线程环境下，这些步骤之间可能被其他线程的操作所中断，导致最终的结果出现不一致性。我们来具体分析一下：

什么是复合操作？
复合操作通常涉及至少两个步骤：读取变量的值、修改变量的值。例如，i++（自增操作）就是一个典型的复合操作。它包括以下步骤：

• 读取i的当前值。
• 增加这个值（例如，i变成i + 1）。
• 将新值写回i。

为什么会导致非原子性？
在多线程环境中，如果多个线程同时执行复合操作，可能会导致“线程间干扰”或“竞态条件”：

1. 线程间干扰：假设两个线程同时执行i++操作。如果线程A在读取了i的值之后，线程B也读取了i的值，并且线程B先完成了增加和写回的步骤，当线程A继续执行时，它使用的是旧的i值。这样，尽管i++操作被执行了两次，i的值实际上只增加了1，而不是2。

2. 竞态条件：当程序的输出依赖于事件的顺序或者时间时，就会出现竞态条件。在上述例子中，i++操作的最终结果依赖于两个线程执行该操作的具体时序，这就是典型的竞态条件。

如何解决？
要解决非原子性问题，通常需要使用同步机制，如：

1. 使用synchronized关键字：它可以确保同一时间只有一个线程执行某个代码块，从而保证操作的原子性。
2. 使用原子类：Java提供了一些原子类（如AtomicInteger），这些类的方法可以保证操作的原子性，无需额外同步。

复合操作的非原子性问题主要是由于在多线程环境下，操作的各个步骤可能被其他线程的操作打断，导致最终结果的不确定性。正确的同步策略是确保多线程安全的关键。

volatile和JMM的关系

volatile关键字在Java中的存在与Java内存模型（Java Memory Model, JMM）有着密切的关系。Java内存模型是一种规范，用于定义线程如何以及何时可以看到由其他线程修改过的共享变量的值，以及如何同步对这些变量的访问。volatile关键字是JMM提供的机制之一，用于确保共享变量在不同线程之间的可见性和有序性。

Java内存模型（JMM）简介

Java内存模型定义了Java虚拟机（JVM）在多线程环境中处理数据读写操作的规则。它解决了以下几个问题：

1. 可见性：一个线程对共享变量的修改何时对其他线程可见。
2. 原子性：对变量执行的操作在何种程度上是不可分割的。
3. 有序性：操作的执行顺序，特别是在编译器优化和处理器重排序的环境下。

volatile关键字与JMM的关系

volatile关键字在JMM中扮演了重要角色，主要体现在以下几个方面：

1. 保证可见性：当一个变量被声明为volatile后，对这个变量的写操作将会立即刷新到主内存中，同时，每次读取这个变量时，都会直接从主内存中读取。这样就保证了在不同线程中对这个变量的修改对每个线程都是可见的。

2. 禁止指令重排序：volatile变量的读写操作不会被编译器和处理器重排序到其他内存操作之前或之后。这样就在一定程度上保证了有序性，确保在读取volatile变量之前的操作不会被重排序到读取之后，写入volatile变量之后的操作不会被重排序到写入之前。

3. 非原子性的限制：虽然volatile保证了单个读或写操作的原子性，但它并不保证复合操作（如i++）的原子性。因此，对于复合操作的原子性保证，还需要额外的同步措施。

综上所述，volatile关键字是JMM用来提供一定程度线程安全（特别是可见性和部分有序性）的一种机制。它使得编写正确的并发程序变得更加可行，但也需要开发者理解其底层的工作原理和适当的使用场景。

指令重排序是什么？为什么会指令重排序？

指令重排序（Instruction Reordering）

指令重排序是编译器或处理器为了优化程序性能和利用资源更有效地执行程序而进行的操作顺序调整。这种重排序可以发生在多个层面：

1. 编译器级别：编译器在生成机器代码时可能会改变指令的顺序，使得生成的代码更加高效。
2. 处理器级别：现代处理器为了利用指令管道（Instruction Pipeline）和减少执行指令的延迟，可能会在执行时改变指令的顺序。

重排序的目的

主要目的是提高性能。通过重排序，系统可以更有效地利用处理器资源，减少指令之间的依赖关系，避免处理器空闲等待必要数据的到来，从而提高执行效率。

重排序的类型

1. 编译时重排序：编译器在生成机器代码时进行的重排序。
2. 运行时重排序：处理器在指令执行时进行的重排序。

为什么会指令重排序？

1. 提高性能：重排序可以使得处理器的各个部分（如算术逻辑单元、缓存等）尽可能地保持忙碌状态，减少闲置时间。
2. 充分利用资源：通过重排序，可以更好地利用处理器的指令管道，减少因数据依赖导致的停顿。
3. 处理器设计复杂性：现代处理器的设计非常复杂，它们包含多级缓存、多个执行单元等。在这种环境下，保持程序指令的严格顺序可能会导致资源使用不充分和性能下降。

指令重排序与多线程

在多线程程序中，指令重排序可能导致意想不到的问题。例如，一个线程对变量的修改可能因为重排序而在另一个线程中不可见（违反直觉的顺序）。这就是Java内存模型（JMM）和volatile关键字等同步机制存在的原因，它们可以在必要时限制重排序，保证多线程程序的正确性和可预测性。