第Java基礎(chǔ)之volatile應(yīng)用實(shí)例分析問：請(qǐng)談?wù)勀銓?duì)volatile的理解？

答：volatile是Java虛擬機(jī)提供的輕量級(jí)的同步機(jī)制，它有３個(gè)特性：

１）保證可見性

２）不保證原子性

３）禁止指令重排

剛學(xué)完java基礎(chǔ)，如果有人問你什么是volatile？它有什么作用的話，相信一定非常懵逼

可能看了答案，也完全不明白，什么是同步機(jī)制？什么是可見性？什么是原子性？什么是指令重排？

1、volatile保證可見性

1.1、什么是JMM模型？

要想理解什么是可見性，首先要先理解JMM。

JMM（Java內(nèi)存模型，JavaMemoryModel）本身是一種抽象的概念，并不真實(shí)存在。它描述的是一組規(guī)則或規(guī)范，通過這組規(guī)范，定了程序中各個(gè)變量的訪問方法。JMM關(guān)于同步的規(guī)定：

１）線程解鎖前，必須把共享變量的值刷新回主內(nèi)存；

２）線程加鎖前，必須讀取主內(nèi)存的最新值到自己的工作內(nèi)存；

３）加鎖解鎖是同一把鎖；

由于JVM運(yùn)行程序的實(shí)體是線程，創(chuàng)建每個(gè)線程時(shí)，JMM會(huì)為其創(chuàng)建一個(gè)工作內(nèi)存（有些地方稱為棧空間），工作內(nèi)存是每個(gè)線程的私有數(shù)據(jù)區(qū)域。

Java內(nèi)存模型規(guī)定所有變量都存儲(chǔ)在主內(nèi)存，主內(nèi)存是共享內(nèi)存區(qū)域，所有線程都可以訪問。

但線程對(duì)變量的操作（讀取、賦值等）必須在工作內(nèi)存中進(jìn)行。首先需要將變量從主內(nèi)存復(fù)制到工作內(nèi)存，進(jìn)行操作后再將其寫回主內(nèi)存。

看了上面對(duì)JMM的介紹，可能還是優(yōu)點(diǎn)懵，接下來用一個(gè)賣票系統(tǒng)來進(jìn)行舉例：

１）如下圖，此時(shí)賣票系統(tǒng)后端只剩下１張票，并已讀入主內(nèi)存中：ticketNum=1。

２）此時(shí)網(wǎng)絡(luò)上有多個(gè)用戶都在搶票，那么此時(shí)就有多個(gè)線程同時(shí)都在進(jìn)行買票服務(wù)，假設(shè)此時(shí)有３個(gè)線程都讀入了目前的票數(shù)：ticketNum=1，那么接著就會(huì)買票。

３）假設(shè)線程１先搶占到cpu的資源，先買好票，并在自己的工作內(nèi)存中將ticketNum的值改為０：ticketNum=0，然后再寫回到主內(nèi)存中。

此時(shí)，線程１的用戶已經(jīng)買到票了，那么線程２，線程３此時(shí)應(yīng)該不能再繼續(xù)買票了，因此需要系統(tǒng)通知線程２，線程３，ticketNum此時(shí)已經(jīng)等于０了：ticketNum=0。如果有這樣的通知操作，你就可以理解為就具有可見性。

通過上面對(duì)JMM的介紹和舉例，可以簡(jiǎn)單總結(jié)下。

JMM內(nèi)存模型的可見性是指，多線程訪問主內(nèi)存的某一個(gè)資源時(shí)，如果某一個(gè)線程在自己的工作內(nèi)存中修改了該資源，并寫回主內(nèi)存，那么JMM內(nèi)存模型應(yīng)該要通知其他線程來從新獲取最新的資源，來保證最新資源的可見性。

1.2、volatile保證可見性的代碼驗(yàn)證

在第1.1節(jié)中，我們基本理解了可見性的定義，現(xiàn)在我們可以使用代碼驗(yàn)證該定義。經(jīng)實(shí)踐證明，使用volatile確實(shí)能夠保證可見性。

1.2.1、無可見性代碼驗(yàn)證

首先先驗(yàn)證下，不使用volatile，是不是就是沒有可見性。

packagecom.koping.test;importjava.util.concurrent.TimeUnit;classMyData{

intnumber=0;

publicvoidadd10(){

this.number+=10;

}}publicclassVolatileVisibilityDemo{

publicstaticvoidmAIn(String[]args){

MyDatamyData=newMyData();

//啟動(dòng)一個(gè)線程修改myData的number，將number的值加10

newThread(

()-{

System.out.println(線程+Thread.currentThread().getName()+\t正在執(zhí)行

try{

TimeUnit.SECONDS.sleep(3);

}catch(Exceptione){

e.printStackTrace();

myData.add10();

System.out.println(線程+Thread.currentThread().getName()+\t更新后，number的值為+myData.number);

).start();

//看一下主線程能否保持可見性

while(myData.number==0){

//當(dāng)上面的線程將number加10后，如果有可見性的話，那么就會(huì)跳出循環(huán)；

//如果沒有可見性的話，就會(huì)一直在循環(huán)里執(zhí)行

System.out.println(具有可見性！

}}

運(yùn)行結(jié)果如下圖，可以看到雖然線程0已經(jīng)將number的值改為了10，但是主線程還是在循環(huán)中，因?yàn)榇藭r(shí)number不具有可見性，系統(tǒng)不會(huì)主動(dòng)通知。

1.2.1、volatile保證可見性驗(yàn)證

在上面代碼的第7行給變量number添加volatile后再次測(cè)試，如下圖，此時(shí)主線程成功退出了循環(huán)，因?yàn)镴MM主動(dòng)通知了主線程更新number的值了，number已經(jīng)不為０了。

2、volatile不保證原子性

2.1什么是原子性？

理解了上面說的可見性之后，再來理解下什么叫原子性？

原子性是指無法分割或打斷，保持完整性的特性。換句話說，當(dāng)一個(gè)線程正在執(zhí)行某個(gè)操作時(shí)，它不能被任何因素中斷。要么同時(shí)成功，要么同時(shí)失敗。

還是有點(diǎn)抽象，接下來舉個(gè)例子。

如下圖，創(chuàng)建了一個(gè)測(cè)試原子性的類：TestPragma。編譯后的代碼表明，add方法內(nèi)對(duì)n的增加是通過三條指令來完成的。

因此可能存在線程１正在執(zhí)行第１個(gè)指令，緊接著線程２也正在執(zhí)行第１個(gè)指令，這樣當(dāng)線程１和線程２都執(zhí)行完３個(gè)指令之后，很容易理解，此時(shí)n的值只加了１，而實(shí)際是有２個(gè)線程加了２次，因此這種情況就是不保證原子性。

2.2不保證原子性的代碼驗(yàn)證

在2.1中已經(jīng)進(jìn)行了舉例，可能存在２個(gè)線程執(zhí)行n++的操作，但是最終n的值卻只加了１的情況，接下來對(duì)這種情況再用代碼進(jìn)行演示下。

首先給MyData類添加一個(gè)add方法

packagecom.koping.test;classMyData{

volatileintnumber=0;

publicvoidadd(){

number++;

}}

然后創(chuàng)建測(cè)試原子性的類：TestPragmaDemo。驗(yàn)證number的值是否為20000，需要測(cè)試通過20個(gè)線程分別對(duì)其加1000次后的結(jié)果。

packagecom.koping.test;publicclassTestPragmaDemo{

publicstaticvoidmain(String[]args){

MyDatamyData=newMyData();

//啟動(dòng)20個(gè)線程，每個(gè)線程將myData的number值加1000次，那么理論上number值最終是20000

for(inti=0;ii++){

newThread(()-{

for(intj=0;j1000;j++){

myData.add();

}).start();

//程序運(yùn)行時(shí)，模型會(huì)有主線程和守護(hù)線程。如果超過２個(gè)，那就說明上面的２０個(gè)線程還有沒執(zhí)行完的，就需要等待

while(Thread.activeCount()2){

Thread.yield();

System.out.println(number值加了20000次，此時(shí)number的實(shí)際值是：+myData.number);

}}

運(yùn)行結(jié)果如下圖，最終number的值僅為18410。

可以看到即使加了volatile，依然不保證有原子性。

2.3volatile不保證原子性的解決方法

上面介紹并證明了volatile不保證原子性，那如果希望保證原子性，怎么辦呢？以下提供了２種方法

2.3.1方法１：使用synchronized

方法1是在add方法上添加synchronized，這樣每次只有１個(gè)線程能執(zhí)行add方法。

結(jié)果如下圖，最終確實(shí)可以使number的值為20000，保證了原子性。

但在實(shí)際業(yè)務(wù)邏輯方法中，很少只有一個(gè)類似于number++的單行代碼，通常會(huì)包含其他n行代碼邏輯?，F(xiàn)在為了保證number的值是20000，就把整個(gè)方法都加鎖了（其實(shí)另外那n行代碼，完全可以由多線程同時(shí)執(zhí)行的）。所以就優(yōu)點(diǎn)殺雞用牛刀，高射炮打蚊子，小題大做了。

packagecom.koping.test;classMyData{

volatileintnumber=0;

publicsynchronizedvoidadd(){

//在n++上面可能還有n行代碼進(jìn)行邏輯處理

number++;

}}

2.3.2方法１：使用JUC包下的AtomicInteger

給MyData新曾一個(gè)原子整型類型的變量num，初始值為0。

packagecom.koping.test;importjava.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;classMyData{

volatileintnumber=0;

volatileAtomicIntegernum=newAtomicInteger();

publicvoidadd(){

//在n++上面可能還有n行代碼進(jìn)行邏輯處理

number++;

num.getAndIncrement();

}}

讓num也同步加20000次?？梢詫⒃渲貙憺椋菏褂迷诱蚽um可以確保原子性，如下圖所示：在執(zhí)行number++時(shí)不會(huì)發(fā)生競(jìng)態(tài)條件。

packagecom.koping.test;publicclassTestPragmaDemo{

publicstaticvoidmain(String[]args){

MyDatamyData=newMyData();

//啟動(dòng)20個(gè)線程，每個(gè)線程將myData的number值加1000次，那么理論上number值最終是20000

for(inti=0;ii++){

newThread(()-{

for(intj=0;j1000;j++){

myData.add();

}).start();

//程序運(yùn)行時(shí)，模型會(huì)有主線程和守護(hù)線程。如果超過２個(gè)，那就說明上面的２０個(gè)線程還有沒執(zhí)行完的，就需要等待

while(Thread.activeCount()2){

Thread.yield();

System.out.println(number值加了20000次，此時(shí)number的實(shí)際值是：+myData.number);

System.out.println(num值加了20000次，此時(shí)number的實(shí)際值是：+myData.num);

}}

3、volatile禁止指令重排

3.1什么是指令重排？

在第2節(jié)中理解了什么是原子性，現(xiàn)在要理解下什么是指令重排？

計(jì)算機(jī)在執(zhí)行程序時(shí)，為了提高性能，編譯器和處理器常常會(huì)對(duì)指令進(jìn)行重排：

源代碼編譯器優(yōu)化重排指令并行重排內(nèi)存系統(tǒng)重排最終執(zhí)行指令

處理器在進(jìn)行重排時(shí)，必須要考慮指令之間的數(shù)據(jù)依賴性。

單線程環(huán)境中，可以確保最終執(zhí)行結(jié)果和代碼順序執(zhí)行的結(jié)果一致。

但是多線程環(huán)境中，線程交替執(zhí)行，由于編譯器優(yōu)化重排的存在，兩個(gè)線程使用的變量能否保持一致性是無法確定的，結(jié)果無法預(yù)測(cè)。

看了上面的文字性表達(dá)，然后看一個(gè)很簡(jiǎn)單的例子。

比如下面的mySort方法，在系統(tǒng)指令重排后，可能存在以下３種語(yǔ)句的執(zhí)行情況：

１）1234

２）2134

３）1324

以上這３種重排結(jié)果，對(duì)最后程序的結(jié)果都不會(huì)有影響，也考慮了指令之間的數(shù)據(jù)依賴性。

publicvoidmySort(){

intx=1;//語(yǔ)句1

inty=2;//語(yǔ)句2

x=x+3;//語(yǔ)句3

y=x*x;//語(yǔ)句4}

3.2單線程單例模式

看完指令重排的簡(jiǎn)單介紹后，然后來看下單例模式的代碼。

packagecom.koping.test;publicclassSingletonDemo{

privatestaticSingletonDemoinstance=null;

privateSingletonDemo(){

System.out.println(Thread.currentThread().getName()+\t執(zhí)行構(gòu)造方法SingletonDemo()

publicstaticSingletonDemogetInstance(){

if(instance==null){

instance=newSingletonDemo();

returninstance;

publicstaticvoidmain(String[]args){

//單線程測(cè)試

System.out.println(單線程的情況測(cè)試開始

System.out.println(SingletonDemo.getInstance()==SingletonDemo.getInstance());

System.out.println(SingletonDemo.getInstance()==SingletonDemo.getInstance());

System.out.println(單線程的情況測(cè)試結(jié)束\n

}}

首先是在單線程情況下進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如下圖。可以看到，構(gòu)造方法只執(zhí)行了一次，是沒有問題的。

3.3多線程單例模式

接下來在多線程情況下進(jìn)行測(cè)試，代碼如下。

packagecom.koping.test;publicclassSingletonDemo{

privatestaticSingletonDemoinstance=null;

privateSingletonDemo(){

System.out.println(Thread.currentThread().getName()+\t執(zhí)行構(gòu)造方法SingletonDemo()

publicstaticSingletonDemogetInstance(){

if(instance==null){

instance=newSingletonDemo();

//DCL(DoubleCheckLock雙端檢索機(jī)制)//if(instance==null){//synchronized(SingletonDemo.class){//if(instance==null){//instance=newSingletonDemo();//}//}//}

returninstance;

publicstaticvoidmain(String[]args){

//單線程測(cè)試//System.out.println(單線程的情況測(cè)試開始//System.out.println(SingletonDemo.getInstance()==SingletonDemo.getInstance());//System.out.println(SingletonDemo.getInstance()==SingletonDemo.getInstance());//System.out.println(單線程的情況測(cè)試結(jié)束\n

//多線程測(cè)試

System.out.println(多線程的情況測(cè)試開始

for(inti=1;ii++){

newThread(()-{

SingletonDemo.getInstance();

},String.valueOf(i)).start();

}}

在多線程情況下的運(yùn)行結(jié)果如下圖?？梢钥吹剑嗑€程情況下，出現(xiàn)了構(gòu)造方法執(zhí)行了２次的情況。

3.4多線程單例模式改進(jìn)：DCL

在3.3中的多線程單里模式下，構(gòu)造方法執(zhí)行了兩次，因此需要進(jìn)行改進(jìn)，這里使用雙端檢鎖機(jī)制：DoubleCheckLock,DCL。即加鎖之前和之后都進(jìn)行檢查。

packagecom.koping.test;publicclassSingletonDemo{

privatestaticSingletonDemoinstance=null;

privateSingletonDemo(){

System.out.println(Thread.currentThread().getName()+\t執(zhí)行構(gòu)造方法SingletonDemo()

publicstaticSingletonDemogetInstance(){//if(instance==null){//instance=newSingletonDemo();//}

//DCL(DoubleCheckLock雙端檢鎖機(jī)制)

if(instance==null){//a行

synchronized(SingletonDemo.class){

if(instance==null){//b行

instance=newSingletonDemo();//c行

returninstance;

publicstaticvoidmain(String[]args){

//單線程測(cè)試//System.out.println(單線程的情況測(cè)試開始//System.out.println(SingletonDemo.getInstance()==SingletonDemo.getInstance());//System.out.println(SingletonDemo.getInstance()==SingletonDemo.getInstance());//System.out.println(單線程的情況測(cè)試結(jié)束\n

//多線程測(cè)試

System.out.println(多線程的情況測(cè)試開始

for(inti=1;ii++){

newThread(()-{

SingletonDemo.getInstance();

},String.valueOf(i)).start();

}}

在多次運(yùn)行后，可以看到，在多線程情況下，此時(shí)構(gòu)造方法也只執(zhí)行１次了。

3.5多線程單例模式改進(jìn)，DCL版存在的問題

需要注意的是3.4中的DCL版的單例模式依然不是100%準(zhǔn)確的?。。?/p>

是不是不太明白為什么3.4DCL版單例模式不是100%準(zhǔn)確的原因？

是不是不太明白在3.1講完指令重排的簡(jiǎn)單理解后，為什么突然要講多線程的單例模式？

因?yàn)?.4DCL版單