1.11 volatile的作用

volatile的使用是為了線程安全，但volatile不保證線程安全。線程安全有三個要素：可見性、有序性和原子性。線程安全是指在多線程情況下，對共享內存的使用，不會因為不同線程的訪問和修改而發生不期望的情況。

volatile有以下三個作用：

（1）volatile用于解決多核CPU高速緩存導致的變量不同步

這本質上是個硬件問題，其根源在于：CPU的高速緩存的讀取速度遠遠快于主存（物理內存）。所以，CPU在讀取一個變量的時候，會把數據先讀取到緩存，這樣下次再訪問同一個數據的時候就可以直接從緩存讀取了，顯然提高了讀取的性能。而多核CPU有多個這樣的緩存。這就帶來了問題，當某個CPU（例如CPU1）修改了這個變量（比如把a的值從1修改為2），但是其他的CPU（例如CPU2）在修改前已經把a=1讀取到自己的緩存了，當CPU2再次讀取數據的時候，它仍然會去自己的緩存區中讀取，此時讀取到的值仍然是1，但是實際上這個值已經變成2了。這里，就涉及了線程安全的要素：可見性。

可見性是指當多個線程在訪問同一個變量時，如果其中一個線程修改了變量的值，那么其他線程應該能立即看到修改后的值。

volatile的實現原理是內存屏障（Memory Barrier），其原理為：當CPU寫數據時，如果發現一個變量在其他CPU中存有副本，那么會發出信號量通知其他CPU將該副本對應的緩存行置為無效狀態，當其他CPU讀取到變量副本的時候，會發現該緩存行是無效的，然后，它會從主存重新讀取變量。

（2）volatile可以解決指令重排序的問題

一般情況下，程序是按照順序執行的，例如下面的代碼：

如果i++發生在int i=0之前，那么會不可避免地出錯，CPU在執行代碼對應指令的時候，會認為1、2兩行是具備依賴性的，因此，CPU一定會安排行1早于行2執行。

那么，int i=0一定會早于boolean f=false嗎？

并不一定，CPU在運行期間會對指令進行優化，沒有依賴關系的指令，它們的順序可能會被重排。在單線程執行下，發生重排是沒有問題的，CPU保證了順序不一定一致，但結果一定一致。

但在多線程環境下，重排序則會引起很大的問題，這又涉及了線程安全的要素：有序性。

有序性是指程序執行的順序應當按照代碼的先后順序執行。

為了更好地理解有序性，下面通過一個例子來分析：

理想的結果應該是，線程二不停地打印0，最后打印一個1，終止。

在線程一里，f和i沒有依賴性，如果發生了指令重排，那么f = true發生在i++之前，就有可能導致線程二在終止循環前輸出的全部是0。

需要注意的是，這種情況并不常見，再次運行并不一定能重現，正因為如此，很可能會導致出現一些莫名的問題。如果修改上方代碼中i的定義為使用volatile關鍵字來修飾，那么就可以保證最后的輸出結果符合預期。這是因為，被volatile修飾的變量，CPU不會對它做重排序優化，所以也就保證了有序性。

（3）volatile不保證操作的原子性

原子性：一個或多個操作，要么全部連續執行且不會被任何因素中斷，要么就都不執行。一眼看上去，這個概念和數據庫概念里的事務（Transaction）很類似，沒錯，事務就是一種原子性操作。

原子性、可見性和有序性，是線程安全的三要素。

需要特別注意的是，volatile保證可見性和有序性，但是不保證操作的原子性，下面的代碼將會證明這一點：

在之前的內容有提及，volatile能保證修改后的數據對所有線程可見，那么，這一段對intVal自增的代碼，最終執行完畢的時候，intVal應該為10000。

但事實上，結果是不確定的，大部分情況下會小于10000。這是因為，無論是volatile還是自增操作，都不具備原子性。

假設intVal初始值為100，自增操作的指令執行順序如下所示：

1）獲取intVal值，此時主存內intVal值為100；

2）intVal執行+1，得到101，此時主存內intVal值仍然為100；

3）將101寫回給intVal，此時主存內intVal值從100變化為101。

具體執行流程如圖1-2所示。

這個過程很容易理解，如果這段指令發生在多線程環境下呢？以下面這段會發生錯誤的指令順序為例：

1）線程一獲得了intVal值為100；

2）線程一執行+1，得到101，此時值沒有寫回給主存；

3）線程二在主存內獲得了intVal值為100；

4）線程二執行+1，得到101；

5）線程一寫回101；

6）線程二寫回101；

于是，最終主存內的intVal值，還是101。具體執行流程如圖1-3所示。

為什么volatile的可見性保證在這里沒有生效？

根據volatile保證可見性的原理（內存屏障），當一個線程執行寫的時候，才會改變“數據修改”的標量，在上述過程中，線程一在執行加法操作發生后，寫回操作發生前，CPU開始處理線程二的時間片，執行了另外一次讀取intVal，此時intVal值為100，且由于寫回操作尚未發生，這一次讀取是成功的。

因此，出現了最后計算結果不符合預期的情況。

synchoronized關鍵字確實可以解決多線程的原子操作問題，可以修改上面的代碼為：

但是，這種方式明顯效率不高（后面會介紹如何通過CAS來保證原子性），10個線程都在爭搶同一個代碼塊的使用權。

由此可見，volatile只能提供線程安全的兩個必要條件：可見性和有序性。