前言：
volatile是java多线程中的一个重要关键字，本文呢简单分析volatile的特性以及线程安全相关的知识点，对于学习java的多线程能够有所帮助。
一.Java内存模型
在java中，线程之间的共享变量是存储在主内存中的，每个线程都有一个属于自己的私有的本地内存，其中存放着主内存中所有线程共享的变量的值的拷贝。内存模型图如下
现在假设本地内存A和本地内存B存着主内存中的共享变量x的副本。假设初始化这三个内存中的x值都是0。现在线程A和线程B同时执行 x=x+1;那么我们希望两个线程执行完之后x的值变为2。但是事实会是这样吗？
可能存在下面一种情况：初始时，两个线程分别读取x的值存入各自的本地内存当中，然后线程A进行加1操作，然后把x的最新值1写入到内存。此时线程B的本地内存中还是0，读取x=0后进行加1操作之后，x的值为1，然后线程B把x的值写入内存。最终的结果x=1;这就是著名的缓存一致性问题。通常称这种被多个线程访问的变量为共享变量。
1.原子性
在Java中，对基本数据类型的变量的读取和赋值操作是原子性操作，即这些操作是不可被中断的，要么执行，要么不执行。上面一句话虽然看起来简单，但是理解起来并不是那么容易。看下面一个例子，请分析以下哪些操作是原子性操作：
x = 10; //语句1
y = x; //语句2
x++; //语句3
x = x + 1; //语句4咋一看，有些朋友可能会说上面的4个语句中的操作都是原子性操作。其实只有语句1是原子性操作，其他三个语句都不是原子性操作。
- 语句1是直接将数值10赋值给x，也就是说线程执行这个语句的会直接将数值10写入到工作内存中。
- 语句2实际上包含2个操作，它先要去读取x的值，再将x的值写入本地内存，虽然读取x的值以及 将x的值写入本地内存 这2个操作都是原子性操作，但是合起来就不是原子性操作了。
- 同样的，x++和 x = x+1包括3个操作：读取x的值，进行加1操作，写入新的值。
所以上面4个语句只有语句1的操作具备原子性。也就是说，只有简单的读取、赋值（而且必须是将数字赋值给某个变量，变量之间的相互赋值不是原子操作）才是原子操作。
从上面可以看出，Java内存模型只保证了基本读取和赋值是原子性操作，如果要实现更大范围操作的原子性，可以通过synchronized和Lock来实现。由synchronized和Lock能够保证任一时刻只有一个线程执行该代码块，那么自然就不存在原子性问题了，从而也就保证了原子性。
2.可见性
对于可见性，Java提供了volatile关键字来保证可见性。
当一个共享变量被volatile修饰时，它会保证修改的值会立即被更新到主内存，当有其他线程需要读取时，它必须去主内存中读取新值。
而普通的共享变量不能保证可见性，因为普通共享变量被修改之后，什么时候被写入主存是不确定的，当其他线程去读取时，此时内存中可能还是原来的旧值，因此无法保证可见性。
另外，通过synchronized和Lock也能够保证可见性，synchronized和Lock能保证同一时刻只有一个线程获取锁然后执行同步代码，并且在释放锁之前会将对变量的修改刷新到主存当中。因此可以保证可见性。
3.有序性
有序性：即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。举个简单的例子，看下面这段代码
int i = 0;
boolean flag = false;
i = 1; //语句1
flag = true; //语句2从代码顺序上看，语句1是在语句2前面的，那么JVM在真正执行这段代码的时候会保证语句1一定会在语句2前面执行吗？不一定，为什么呢？这里可能会发生指令重排序（Instruction Reorder）。下面解释一下什么是指令重排序，一般来说，处理器为了提高程序运行效率，可能会对输入代码进行优化，它不保证程序中各个语句的执行先后顺序同代码中的顺序一致，但是它会保证程序最终执行结果和代码顺序执行的结果是一致的。虽然重排序不会影响单个线程内程序执行的结果，但是多线程呢? 看下面的代码
public class ReorderExample {
int a = 0;
boolean flag = false;
public void writer(){
a = 1; //1
flag = true; //2
}
public void reader(){
if (flag) {
int i = a;
//other
}
}
}线程A先执行writer方法，1,2语句重排序了，先执行了语句2,被阻塞了，语句1还没执行，这时候线程B执行reader()方法，看到的a=0;
所以在这里多线程的语义被重排序破坏了。
二.深入剖析volatile关键字
1.声明为 volatile 变量有以下保证：
- 其他线程对volatile变量的修改，可以即时反应到当前线程中
- 确保当前线程对volatile变量的修改，能即时写回主内存中，并对其他线程可见
- 使用 volatile 声明的变量，编译器会保证其有序性
看以下代码：
public class VolatileTest extends Thread{
private boolean stop = false;
public void stopMe(){
stop = true;
}
@Override
public void run() {
int i = 0;
while (!stop) {
i++;
}
System.out.println("Thread Stop");
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
VolatileTest test = new VolatileTest();
test.start();
Thread.sleep(1000);
test.stopMe();
Thread.sleep(1000);
}
}这是很典型的一段代码，上面的线程会被停止吗？不一定，也许在大多数时候，这个代码能够把线程中断，但是也有可能会导致无法中断线程，这是有隐藏bug的代码。
在前面已经解释过，每个线程在运行过程中都有自己的本地内存，那么线程1在运行的时候，会将stop变量的值拷贝一份放在自己的本地内存当中。
那么当线程2更改了stop变量的值之后，但是还没来得及写入主存当中，线程2转去做其他事情了，那么线程1由于不知道线程2对stop变量的更改，因此还会一直循环下去。
但是用volatile修饰之后就变得不一样了：
第一：使用volatile关键字会强制将修改的值立即写入主存；
第二：使用volatile关键字的话，当线程2进行修改时，会导致线程1的本地内存中缓存变量stop的缓存行无效；
第三：由于线程1的本地内存中缓存变量stop的缓存行无效，所以线程1再次读取变量stop的值时会去主存读取。
那么在线程2修改stop值时（当然这里包括2个操作，修改线程2工作内存中的值，然后将修改后的值写入内存），会使得线程1的本地内存中缓存变量stop的缓存行无效，然后线程1读取时，发现自己的缓存行无效，它会等待缓存行对应的主内存地址被更新之后，然后去对应的主内存读取最新的值。
那么线程1读取到的就是最新的正确的值。这个线程就能确保一定能停下来。
再来看重排序的问题，看回这段代码：
public class ReorderExample {
int a = 0;
boolean flag = false;
public void writer(){
a = 1; //1
flag = true; //2
}
public void reader(){
if (flag) {
int i = a;
//other
}
}
}线程A先执行writer方法，1,2语句重排序了，先执行了语句2,被阻塞了，语句1还没执行，这时候线程B执行reader()方法，看到的a=0;所以在这里多线程的语义被重排序破坏了。
但是当用volatile声明flag变量的时候：
- 线程A写一个volatile变量的时候，会把写之前对共享变量所做的修改写到主内存中，并且对其他线程可见，并通知线程B去主内存中读数据。那么就不会出现上面那种由于重排序破坏了多线程的语义。并且volatile会保证有序性。
2.volatile 能保证原子性吗
以下有个经典的例子：
public class Test {
public volatile int inc = 0;
public void increase() {
inc++;
}
public static void main(String[] args) {
final Test test = new Test();
for(int i=0;i<10;i++){
new Thread(){
public void run() {
for(int j=0;j<1000;j++)
test.increase();
};
}.start();
}
while(Thread.activeCount()>2) //保证前面的线程都执行完
Thread.yield();
System.out.println(test.inc);
}
}大家想一下这段程序的输出结果是多少？也许有些朋友认为是10000。但是事实上运行它会发现每次运行结果都不一致，都是一个小于10000的数字
可能有的朋友就会有疑问，不对啊，上面是对变量inc进行自增操作，由于volatile保证了可见性，那么在每个线程中对inc自增完之后，在其他线程中都能看到修改后的值啊，所以有10个线程分别进行了1000次操作，那么最终inc的值应该是1000*10=10000。
这里面就有一个误区了，volatile关键字能保证可见性没有错，但是上面的程序错在没能保证原子性。可见性只能保证每次读取的是最新的值，但是volatile没办法保证对变量的操作的原子性。
在前面已经提到过，自增操作是不具备原子性的，它包括读取变量的原始值、进行加1操作、写入工作内存。那么就是说自增操作的三个子操作可能会分割开执行，就有可能导致下面这种情况出现：
假如某个时刻变量inc的值为10，
线程1对变量进行自增操作，线程1先读取了变量inc的原始值，然后线程1被阻塞了；然后线程2对变量进行自增操作，线程2也去读取变量inc的原始值，由于线程1只是对变量inc进行读取操作，而没有对变量进行修改操作，所以不会导致线程2的本地内存中缓存变量inc的缓存行无效，所以线程2会直接去主内存读取inc的值，发现inc的值时10，然后进行加1操作，并把11写入本地内存，最后写入主内存。然后线程1接着进行加1操作，由于之前已经读取了inc的值，注意此时在线程1的工作本地中inc的值仍然为10（但是已经被标识无效，下一次读的时候就会去主内存中读），所以线程1对inc进行加1操作后inc的值为11，然后将11写入本地内存，最后写入主内存。
那么两个线程分别进行了一次自增操作后，inc就只增加了1。这时可能就更需要synchronized或Lock上锁保证线程的安全，来保证操作的原子性，也可通过封装好的AtomicInteger来实现。
三.volatile的实现原理
处理器为了提高处理速度，不直接和内存进行通讯，而是将系统内部的数据读到内部缓存后在进行操作，但操作完之后不知道什么时候会写入内存。
如果对声明了volatile变量进行写操作时，JVM会向处理器发送一条Lock前缀的指令，将这个变量所在缓存行的数据写会到系统内存。 这一步确保了如果有其他线程对声明了volatile变量进行修改，则立即更新主内存中数据。
但这时候其他处理器的缓存还是旧的，所以在多处理器环境下，为了保证各个处理器缓存一致，每个处理会通过嗅探在总线上传播的数据来检查 自己的缓存是否过期，当处理器发现自己缓存行对应的内存地址被修改了，就会将当前处理器的缓存行设置成无效状态，当处理器要对这个数据进行修改操作时，会强制重新从系统内存把数据读到处理器缓存里。 这一步确保了其他线程获得的声明了volatile变量都是从主内存中获取最新的。
Lock前缀指令实际上相当于一个内存屏障（也成内存栅栏），它确保指令重排序时不会把其后面的指令排到内存屏障之前的位置，也不会把前面的指令排到内存屏障的后面；即在执行到内存屏障这句指令时，在它前面的操作已经全部完成。
四.使用volatile关键字的场景
synchronized关键字是防止多个线程同时执行一段代码，那么就会很影响程序执行效率，而volatile关键字在某些情况下性能要优于synchronized，但是要注意volatile关键字是无法替代synchronized关键字的，因为volatile关键字无法保证操作的原子性。通常来说，使用volatile必须具备以下2个条件：
1）对变量的写操作不依赖于当前值
2）该变量没有包含在具有其他变量的不变式中
- 状态标记量
public class VolatileTest extends Thread{
private volatile boolean stop = false;
public void stopMe(){
stop = true;
}
@Override
public void run() {
int i = 0;
while (!stop) {
i++;
}
System.out.println("Thread Stop");
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
VolatileTest test = new VolatileTest();
test.start();
Thread.sleep(1000);
test.stopMe();
Thread.sleep(1000);
}
}- 防止重排序对多线程语义破坏
public class ReorderExample {
int a = 0;
private volatile boolean flag = false;
public void writer(){
a = 1; //1
flag = true; //2
}
public void reader(){
if (flag) {
int i = a;
//other
}
}
}
