volatile 关键字的作用

作者 | 磊哥

来源 | Java面试真题解析（ID：aimianshi666）

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volatile 是 Java 并发编程的重要组成部分，也是常见的面试题之一，它的主要作用有两个：保证内存的可见性和禁止指令重排序。下面我们具体来看这两个功能。

内存可见性

说到内存可见性问题就不得不提 Java 内存模型，Java 内存模型（Java Memory Model）简称为 JMM，主要是用来屏蔽不同硬件和操作系统的内存访问差异的，因为在不同的硬件和不同的操作系统下，内存的访问是有一定的差异得，这种差异会导致相同的代码在不同的硬件和不同的操作系统下有着不一样的行为，而 Java 内存模型就是解决这个差异，统一相同代码在不同硬件和不同操作系统下的差异的。

Java 内存模型规定：所有的变量（实例变量和静态变量）都必须存储在主内存中，每个线程也会有自己的工作内存，线程的工作内存保存了该线程用到的变量和主内存的副本拷贝，线程对变量的操作都在工作内存中进行。线程不能直接读写主内存中的变量，如下图所示：然而，Java 内存模型会带来一个新的问题，那就是内存可见性问题，也就是当某个线程修改了主内存中共享变量的值之后，其他线程不能感知到此值被修改了，它会一直使用自己工作内存中的“旧值”，这样程序的执行结果就不符合我们的预期了，这就是内存可见性问题，我们用以下代码来演示一下这个问题：

private static boolean flag = false;
public static void main(String[] args) {
    Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            while (!flag) {

            }
            System.out.println("终止执行");
        }
    });
    t1.start();
    Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("设置 flag=true");
            flag = true;
        }
    });
    t2.start();
}

以上代码我们预期的结果是，在线程 1 执行了 1s 之后，线程 2 将 flag 变量修改为 true，之后线程 1 终止执行，然而，因为线程 1 感知不到 flag 变量发生了修改，也就是内存可见性问题，所以会导致线程 1 会永远的执行下去，最终我们看到的结果是这样的：如何解决以上问题呢？只需要给变量 flag 加上 volatile 修饰即可，具体的实现代码如下：

private volatile static boolean flag = false;
public static void main(String[] args) {
    Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            while (!flag) {

            }
            System.out.println("终止执行");
        }
    });
    t1.start();
    Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("设置 flag=true");
            flag = true;
        }
    });
    t2.start();
}

以上程序的执行结果如下图所示：

禁止指令重排序

指令重排序是指编译器或 CPU 为了优化程序的执行性能，而对指令进行重新排序的一种手段。

指令重排序的实现初衷是好的，但是在多线程执行中，如果执行了指令重排序可能会导致程序执行出错。指令重排序最典型的一个问题就发生在单例模式中，比如以下问题代码：

public class Singleton {
    private Singleton() {}
    private static Singleton instance = null;
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) { // ①
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton(); // ②
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

以上问题发生在代码 ② 这一行“instance = new Singleton();”，这行代码看似只是一个创建对象的过程，然而它的实际执行却分为以下 3 步：

1. 创建内存空间。
2. 在内存空间中初始化对象 Singleton。
3. 将内存地址赋值给 instance 对象（执行了此步骤，instance 就不等于 null 了）。

如果此变量不加 volatile，那么线程 1 在执行到上述代码的第 ② 处时就可能会执行指令重排序，将原本是 1、2、3 的执行顺序，重排为 1、3、2。但是特殊情况下，线程 1 在执行完第 3 步之后，如果来了线程 2 执行到上述代码的第 ① 处，判断 instance 对象已经不为 null，但此时线程 1 还未将对象实例化完，那么线程 2 将会得到一个被实例化“一半”的对象，从而导致程序执行出错，这就是为什么要给私有变量添加 volatile 的原因了。

要使以上单例模式变为线程安全的程序，需要给 instance 变量添加 volatile 修饰，它的最终实现代码如下：

public class Singleton {
    private Singleton() {}
    // 使用 volatile 禁止指令重排序
    private static volatile Singleton instance = null; // 【主要是此行代码发生了变化】
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) { // ①
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton(); // ②
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

总结

volatile 是 Java 并发编程的重要组成部分，它的主要作用有两个：保证内存的可见性和禁止指令重排序。volatile 常使用在一写多读的场景中，比如 CopyOnWriteArrayList 集合，它在操作的时候会把全部数据复制出来对写操作加锁，修改完之后再使用 setArray 方法把此数组赋值为更新后的值，使用 volatile 可以使读线程很快的告知到数组被修改，不会进行指令重排，操作完成后就可以对其他线程可见了。

是非审之于己，毁誉听之于人，得失安之于数。

公众号：Java面试真题解析

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