volatile关键字介绍-Java

volatile 是 Java 中用于修饰变量的关键字，常用于多线程编程。它是一个轻量级的同步机制，用来确保共享变量在多个线程之间的可见性，并防止指令重排序。

1. volatile 的特性

volatile 修饰的变量具备以下两个关键特性：

1.可见性（Visibility）：

当一个线程修改了 volatile 修饰的变量，修改后的值会立刻被刷新到主内存。
其他线程读取这个变量时，会直接从主内存中读取最新值，而不是从线程的工作内存中读取旧值。效果：所有线程对 volatile 变量的访问是最新的。

2.禁止指令重排序（Orderliness）：

在 volatile 变量的读写操作前后，编译器和处理器不会对代码进行重排序。
效果：确保对 volatile 变量的操作顺序符合程序的逻辑预期。

2. volatile 的实现原理

(1) 内存可见性原理

Java 内存模型（JMM）：
Java 使用主内存（Main Memory）和线程工作内存（Working Memory）来管理共享变量。
通常，线程会将共享变量从主内存拷贝到自己的工作内存中，进行操作后再写回主内存。
volatile 保证变量的修改会立即刷新到主内存，同时禁止线程从工作内存中读取过期数据。

(2) 指令重排序规则

编译器和 CPU 在执行程序时，可能会出于性能优化对指令进行重排序。
使用 volatile 修饰变量后，读写操作会添加内存屏障（Memory Barrier），防止指令重排序。
内存屏障是一种 CPU 指令，确保屏障前的所有操作在屏障之后的操作之前完成。

3. volatile 的使用场景

(1) 状态标志变量

volatile 常用于表示线程间的状态，例如停止标志。

public class VolatileFlag {
    private volatile boolean running = true;

    public void stop() {
        running = false; // 修改 running 状态
    }

    public void execute() {
        while (running) {
            // 执行任务
        }
    }
}

这里的 volatile 保证了 running 对所有线程的可见性。

(2) 单例模式的双重检查锁

volatile 可用于确保双重检查锁的线程安全。

public class Singleton {
    private static volatile Singleton instance;

    private Singleton() {}

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

这里的 volatile 防止实例化过程中指令重排序导致的线程安全问题。

(3) 配合非阻塞算法`volatile` 可以在某些非阻塞算法中保证共享变量的可见性。例如，计数器递增：

public class Counter {
    private volatile int count = 0;

    public void increment() {
        count++;
    }
}

注意：count++ 不是原子操作，此处仅展示可见性。如果需要原子性，需使用 AtomicInteger。

4. volatile 的局限性

不保证原子性：volatile 只能保证变量的可见性，不能保证操作的原子性。
仅适用于单个变量：volatile 只能保证单个变量的可见性，对于复合操作（如 i++）或多个变量的操作不提供安全性。
性能开销：使用 volatile 会降低一定的性能，因为它需要频繁地刷新主内存，导致缓存失效。

5. volatile 与 synchronized 的对比

特性	volatile	synchronized
功能	仅保证可见性，不能保证原子性	同时保证可见性和原子性
锁机制	无锁机制，适合轻量级操作	内置锁，适合复杂的线程同步
性能	性能较高，适合简单场景	性能较低（JDK 1.6 以后优化性能较好）
适用场景	状态标志、双重检查锁	复杂的线程同步场景
是否阻塞线程	非阻塞	阻塞线程

6. volatile 与 Atomic 的对比

特性	volatile	Atomic 类
功能	仅保证可见性，不能保证原子性	保证可见性和原子性
实现原理	使用内存屏障（Memory Barrier）	使用 CAS（Compare-And-Swap）
适用场景	状态标志、简单读写	计数器、复合操作