Java volatile面試題

volatile這個關(guān)鍵字可能很多朋友都聽說過，或許也都用過。在Java 5之前，它是一個備受爭議的關(guān)鍵字，因?yàn)樵诔绦蛑惺褂盟鶗?dǎo)致出人意料的結(jié)果。在Java 5之后，volatile關(guān)鍵字才得以重獲生機(jī)。

volatile關(guān)鍵字雖然從字面上理解起來比較簡單，但是要用好不是一件容易的事情。由于volatile關(guān)鍵字是與Java的內(nèi)存模型有關(guān)的，因此在講述volatile關(guān)鍵之前，我們先來了解一下與內(nèi)存模型相關(guān)的概念和知識，然后分析了volatile關(guān)鍵字的實(shí)現(xiàn)原理，最后給出了幾個使用volatile關(guān)鍵字的場景。

以下是本文的目錄大綱：

一.內(nèi)存模型的相關(guān)概念

二.并發(fā)編程中的三個概念

三.Java內(nèi)存模型

四.深入剖析volatile關(guān)鍵字

五.使用volatile關(guān)鍵字的場景

內(nèi)存模型的相關(guān)概念

大家都知道，計(jì)算機(jī)在執(zhí)行程序時，每條指令都是在CPU中執(zhí)行的，而執(zhí)行指令過程中，勢必涉及到數(shù)據(jù)的讀取和寫入。由于程序運(yùn)行過程中的臨時數(shù)據(jù)是存放在主存（物理內(nèi)存）當(dāng)中的，這時就存在一個問題，由于CPU執(zhí)行速度很快，而從內(nèi)存讀取數(shù)據(jù)和向內(nèi)存寫入數(shù)據(jù)的過程跟CPU執(zhí)行指令的速度比起來要慢的多，因此如果任何時候?qū)?shù)據(jù)的操作都要通過和內(nèi)存的交互來進(jìn)行，會大大降低指令執(zhí)行的速度。因此在CPU里面就有了高速緩存。

也就是，當(dāng)程序在運(yùn)行過程中，會將運(yùn)算需要的數(shù)據(jù)從主存復(fù)制一份到CPU的高速緩存當(dāng)中，那么CPU進(jìn)行計(jì)算時就可以直接從它的高速緩存讀取數(shù)據(jù)和向其中寫入數(shù)據(jù)，當(dāng)運(yùn)算結(jié)束之后，再將高速緩存中的數(shù)據(jù)刷新到主存當(dāng)中。舉個簡單的例子，比如下面的這段代碼：

i = i + 1;

當(dāng)線程執(zhí)行這個語句時，會先從主存當(dāng)中讀取i的值，然后復(fù)制一份到高速緩存當(dāng)中，然后CPU執(zhí)行指令對i進(jìn)行加1操作，然后將數(shù)據(jù)寫入高速緩存，最后將高速緩存中i最新的值刷新到主存當(dāng)中。

這個代碼在單線程中運(yùn)行是沒有任何問題的，但是在多線程中運(yùn)行就會有問題了。在多核CPU中，每條線程可能運(yùn)行于不同的CPU中，因此每個線程運(yùn)行時有自己的高速緩存（對單核CPU來說，其實(shí)也會出現(xiàn)這種問題，只不過是以線程調(diào)度的形式來分別執(zhí)行的）。本文我們以多核CPU為例。

比如同時有2個線程執(zhí)行這段代碼，假如初始時i的值為0，那么我們希望兩個線程執(zhí)行完之后i的值變?yōu)?。但是事實(shí)會是這樣嗎？

可能存在下面一種情況：初始時，兩個線程分別讀取i的值存入各自所在的CPU的高速緩存當(dāng)中，然后線程1進(jìn)行加1操作，然后把i的最新值1寫入到內(nèi)存。此時線程2的高速緩存當(dāng)中i的值還是0，進(jìn)行加1操作之后，i的值為1，然后線程2把i的值寫入內(nèi)存。

最終結(jié)果i的值是1，而不是2。這就是著名的緩存一致性問題。通常稱這種被多個線程訪問的變量為共享變量。

也就是說，如果一個變量在多個CPU中都存在緩存（一般在多線程編程時才會出現(xiàn)），那么就可能存在緩存不一致的問題。

為了解決緩存不一致性問題，通常來說有以下2種解決方法：

1）通過在總線加LOCK#鎖的方式

2）通過緩存一致性協(xié)議

這2種方式都是硬件層面上提供的方式。

在早期的CPU當(dāng)中，是通過在總線上加LOCK#鎖的形式來解決緩存不一致的問題。因?yàn)镃PU和其他部件進(jìn)行通信都是通過總線來進(jìn)行的，如果對總線加LOCK#鎖的話，也就是說阻塞了其他CPU對其他部件訪問（如內(nèi)存），從而使得只能有一個CPU能使用這個變量的內(nèi)存。比如上面例子中 如果一個線程在執(zhí)行 i = i +1，如果在執(zhí)行這段代碼的過程中，在總線上發(fā)出了LCOK#鎖的信號，那么只有等待這段代碼完全執(zhí)行完畢之后，其他CPU才能從變量i所在的內(nèi)存讀取變量，然后進(jìn)行相應(yīng)的操作。這樣就解決了緩存不一致的問題。

但是上面的方式會有一個問題，由于在鎖住總線期間，其他CPU無法訪問內(nèi)存，導(dǎo)致效率低下。所以就出現(xiàn)了緩存一致性協(xié)議。最出名的就是Intel 的MESI協(xié)議，MESI協(xié)議保證了每個緩存中使用的共享變量的副本是一致的。它核心的思想是：當(dāng)CPU寫數(shù)據(jù)時，如果發(fā)現(xiàn)操作的變量是共享變量，即在其他CPU中也存在該變量的副本，會發(fā)出信號通知其他CPU將該變量的緩存行置為無效狀態(tài)，因此當(dāng)其他CPU需要讀取這個變量時，發(fā)現(xiàn)自己緩存中緩存該變量的緩存行是無效的，那么它就會從內(nèi)存重新讀取。

并發(fā)編程中的三個概念

● 原子性

原子性：即一個操作或者多個操作 要么全部執(zhí)行并且執(zhí)行的過程不會被任何因素打斷，要么就都不執(zhí)行。

一個很經(jīng)典的例子就是銀行賬戶轉(zhuǎn)賬問題：

比如從賬戶A向賬戶B轉(zhuǎn)1000元，那么必然包括2個操作：從賬戶A減去1000元，往賬戶B加上1000元。

試想一下，如果這2個操作不具備原子性，會造成什么樣的后果。假如從賬戶A減去1000元之后，操作突然中止。然后又從B取出了500元，取出500元之后，再執(zhí)行 往賬戶B加上1000元 的操作。這樣就會導(dǎo)致賬戶A雖然減去了1000元，但是賬戶B沒有收到這個轉(zhuǎn)過來的1000元。

所以這2個操作必須要具備原子性才能保證不出現(xiàn)一些意外的問題。

同樣地反映到并發(fā)編程中會出現(xiàn)什么結(jié)果呢？

舉個最簡單的例子，大家想一下假如為一個32位的變量賦值過程不具備原子性的話，會發(fā)生什么后果？

i = 9;

假若一個線程執(zhí)行到這個語句時，我暫且假設(shè)為一個32位的變量賦值包括兩個過程：為低16位賦值，為高16位賦值。

那么就可能發(fā)生一種情況：當(dāng)將低16位數(shù)值寫入之后，突然被中斷，而此時又有一個線程去讀取i的值，那么讀取到的就是錯誤的數(shù)據(jù)。

● 可見性

可見性是指當(dāng)多個線程訪問同一個變量時，一個線程修改了這個變量的值，其他線程能夠立即看得到修改的值。

舉個簡單的例子，看下面這段代碼：

//線程1執(zhí)行的代碼

int i = 0;

i = 10;

//線程2執(zhí)行的代碼

j = i;

假若執(zhí)行線程1的是CPU1，執(zhí)行線程2的是CPU2。由上面的分析可知，當(dāng)線程1執(zhí)行 i =10這句時，會先把i的初始值加載到CPU1的高速緩存中，然后賦值為10，那么在CPU1的高速緩存當(dāng)中i的值變?yōu)?0了，卻沒有立即寫入到主存當(dāng)中。

此時線程2執(zhí)行 j = i，它會先去主存讀取i的值并加載到CPU2的緩存當(dāng)中，注意此時內(nèi)存當(dāng)中i的值還是0，那么就會使得j的值為0，而不是10。
這就是可見性問題，線程1對變量i修改了之后，線程2沒有立即看到線程1修改的值。

● 有序性

有序性：即程序執(zhí)行的順序按照代碼的先后順序執(zhí)行。舉個簡單的例子，看下面這段代碼：

int i = 0;        

boolean flag = false;

i = 1;                //語句1  

flag = true;          //語句2

上面代碼定義了一個int型變量，定義了一個boolean類型變量，然后分別對兩個變量進(jìn)行賦值操作。從代碼順序上看，語句1是在語句2前面的，那么JVM在真正執(zhí)行這段代碼的時候會保證語句1一定會在語句2前面執(zhí)行嗎？不一定，為什么呢？這里可能會發(fā)生指令重排序（Instruction Reorder）。

下面解釋一下什么是指令重排序，一般來說，處理器為了提高程序運(yùn)行效率，可能會對輸入代碼進(jìn)行優(yōu)化，它不保證程序中各個語句的執(zhí)行先后順序同代碼中的順序一致，但是它會保證程序最終執(zhí)行結(jié)果和代碼順序執(zhí)行的結(jié)果是一致的。

比如上面的代碼中，語句1和語句2誰先執(zhí)行對最終的程序結(jié)果并沒有影響，那么就有可能在執(zhí)行過程中，語句2先執(zhí)行而語句1后執(zhí)行。

但是要注意，雖然處理器會對指令進(jìn)行重排序，但是它會保證程序最終結(jié)果會和代碼順序執(zhí)行結(jié)果相同，那么它靠什么保證的呢？再看下面一個例子：

int a = 10;    //語句1

int r = 2;    //語句2

a = a + 3;    //語句3

r = a*a;     //語句4

這段代碼有4個語句，那么可能的一個執(zhí)行順序是：

那么可不可能是這個執(zhí)行順序呢： 語句2   語句1    語句4   語句3
不可能，因?yàn)樘幚砥髟谶M(jìn)行重排序時是會考慮指令之間的數(shù)據(jù)依賴性，如果一個指令I(lǐng)nstruction 2必須用到Instruction 1的結(jié)果，那么處理器會保證Instruction 1會在Instruction 2之前執(zhí)行。

雖然重排序不會影響單個線程內(nèi)程序執(zhí)行的結(jié)果，但是多線程呢？下面看一個例子：

//線程1:
context = loadContext();   //語句1
inited = true;             //語句2
//線程2:
while(!inited ){
  			sleep()
}
doSomethingwithconfig(context);

上面代碼中，由于語句1和語句2沒有數(shù)據(jù)依賴性，因此可能會被重排序。假如發(fā)生了重排序，在線程1執(zhí)行過程中先執(zhí)行語句2，而此是線程2會以為初始化工作已經(jīng)完成，那么就會跳出while循環(huán)，去執(zhí)行doSomethingwithconfig(context)方法，而此時context并沒有被初始化，就會導(dǎo)致程序出錯。

從上面可以看出，指令重排序不會影響單個線程的執(zhí)行，但是會影響到線程并發(fā)執(zhí)行的正確性。

也就是說，要想并發(fā)程序正確地執(zhí)行，必須要保證原子性、可見性以及有序性。只要有一個沒有被保證，就有可能會導(dǎo)致程序運(yùn)行不正確。

Java內(nèi)存模型

在前面談到了一些關(guān)于內(nèi)存模型以及并發(fā)編程中可能會出現(xiàn)的一些問題。下面我們來看一下Java內(nèi)存模型，研究一下Java內(nèi)存模型為我們提供了哪些保證以及在java中提供了哪些方法和機(jī)制來讓我們在進(jìn)行多線程編程時能夠保證程序執(zhí)行的正確性。

在Java虛擬機(jī)規(guī)范中試圖定義一種Java內(nèi)存模型（Java Memory Model，JMM）來屏蔽各個硬件平臺和操作系統(tǒng)的內(nèi)存訪問差異，以實(shí)現(xiàn)讓Java程序在各種平臺下都能達(dá)到一致的內(nèi)存訪問效果。那么Java內(nèi)存模型規(guī)定了哪些東西呢，它定義了程序中變量的訪問規(guī)則，往大一點(diǎn)說是定義了程序執(zhí)行的次序。注意，為了獲得較好的執(zhí)行性能，Java內(nèi)存模型并沒有限制執(zhí)行引擎使用處理器的寄存器或者高速緩存來提升指令執(zhí)行速度，也沒有限制編譯器對指令進(jìn)行重排序。也就是說，在java內(nèi)存模型中，也會存在緩存一致性問題和指令重排序的問題。

Java內(nèi)存模型規(guī)定所有的變量都是存在主存當(dāng)中（類似于前面說的物理內(nèi)存），每個線程都有自己的工作內(nèi)存（類似于前面的高速緩存）。線程對變量的所有操作都必須在工作內(nèi)存中進(jìn)行，而不能直接對主存進(jìn)行操作。并且每個線程不能訪問其他線程的工作內(nèi)存。

舉個簡單的例子：在java中，執(zhí)行下面這個語句：

i  = 10;

執(zhí)行線程必須先在自己的工作線程中對變量i所在的緩存行進(jìn)行賦值操作，然后再寫入主存當(dāng)中。而不是直接將數(shù)值10寫入主存當(dāng)中。

那么Java語言 本身對 原子性、可見性以及有序性提供了哪些保證呢？

1.原子性

在Java中，對基本數(shù)據(jù)類型的變量的讀取和賦值操作是原子性操作，即這些操作是不可被中斷的，要么執(zhí)行，要么不執(zhí)行。

上面一句話雖然看起來簡單，但是理解起來并不是那么容易?？聪旅嬉粋€例子i：

請分析以下哪些操作是原子性操作：

x = 10;         //語句1

y = x;         //語句2

x++;           //語句3

x = x + 1;     //語句4

咋一看，有些朋友可能會說上面的4個語句中的操作都是原子性操作。其實(shí)只有語句1是原子性操作，其他三個語句都不是原子性操作。

語句1是直接將數(shù)值10賦值給x，也就是說線程執(zhí)行這個語句的會直接將數(shù)值10寫入到工作內(nèi)存中。

語句2實(shí)際上包含2個操作，它先要去讀取x的值，再將x的值寫入工作內(nèi)存，雖然讀取x的值以及 將x的值寫入工作內(nèi)存 這2個操作都是原子性操作，但是合起來就不是原子性操作了。

同樣的，x++和 x = x+1包括3個操作：讀取x的值，進(jìn)行加1操作，寫入新的值。

所以上面4個語句只有語句1的操作具備原子性。

也就是說，只有簡單的讀取、賦值（而且必須是將數(shù)字賦值給某個變量，變量之間的相互賦值不是原子操作）才是原子操作。

不過這里有一點(diǎn)需要注意：在32位平臺下，對64位數(shù)據(jù)的讀取和賦值是需要通過兩個操作來完成的，不能保證其原子性。但是好像在最新的JDK中，JVM已經(jīng)保證對64位數(shù)據(jù)的讀取和賦值也是原子性操作了。

從上面可以看出，Java內(nèi)存模型只保證了基本讀取和賦值是原子性操作，如果要實(shí)現(xiàn)更大范圍操作的原子性，可以通過synchronized和Lock來實(shí)現(xiàn)。

由于synchronized和Lock能夠保證任一時刻只有一個線程執(zhí)行該代碼塊，那么自然就不存在原子性問題了，從而保證了原子性。

2.可見性

對于可見性，Java提供了volatile關(guān)鍵字來保證可見性。

當(dāng)一個共享變量被volatile修飾時，它會保證修改的值會立即被更新到主存，當(dāng)有其他線程需要讀取時，它會去內(nèi)存中讀取新值。

而普通的共享變量不能保證可見性，因?yàn)槠胀ü蚕碜兞勘恍薷闹?，什么時候被寫入主存是不確定的，當(dāng)其他線程去讀取時，此時內(nèi)存中可能還是原來的舊值，因此無法保證可見性。

另外，通過synchronized和Lock也能夠保證可見性，synchronized和Lock能保證同一時刻只有一個線程獲取鎖然后執(zhí)行同步代碼，并且在釋放鎖之前會將對變量的修改刷新到主存當(dāng)中。因此可以保證可見性。

3.有序性

在Java內(nèi)存模型中，允許編譯器和處理器對指令進(jìn)行重排序，但是重排序過程不會影響到單線程程序的執(zhí)行，卻會影響到多線程并發(fā)執(zhí)行的正確性。

在Java里面，可以通過volatile關(guān)鍵字來保證一定的“有序性”（具體原理在下一節(jié)講述）。另外可以通過synchronized和Lock來保證有序性，很顯然，synchronized和Lock保證每個時刻是有一個線程執(zhí)行同步代碼，相當(dāng)于是讓線程順序執(zhí)行同步代碼，自然就保證了有序性。

另外，Java內(nèi)存模型具備一些先天的“有序性”，即不需要通過任何手段就能夠得到保證的有序性，這個通常也稱為 happens-before 原則。如果兩個操作的執(zhí)行次序無法從happens-before原則推導(dǎo)出來，那么它們就不能保證它們的有序性，虛擬機(jī)可以隨意地對它們進(jìn)行重排序。

下面就來具體介紹下happens-before原則（先行發(fā)生原則）：
程序次序規(guī)則：一個線程內(nèi)，按照代碼順序，書寫在前面的操作先行發(fā)生于書寫在后面的操作

鎖定規(guī)則：一個unLock操作先行發(fā)生于后面對同一個鎖額lock操作
volatile變量規(guī)則：對一個變量的寫操作先行發(fā)生于后面對這個變量的讀操作

傳遞規(guī)則：如果操作A先行發(fā)生于操作B，而操作B又先行發(fā)生于操作C，則可以得出操作A先行發(fā)生于操作C

線程啟動規(guī)則：Thread對象的start()方法先行發(fā)生于此線程的每個一個動作

線程中斷規(guī)則：對線程interrupt()方法的調(diào)用先行發(fā)生于被中斷線程的代碼檢測到中斷事件的發(fā)生

線程終結(jié)規(guī)則：線程中所有的操作都先行發(fā)生于線程的終止檢測，我們可以通過Thread.join()方法結(jié)束、Thread.isAlive()的返回值手段檢測到線程已經(jīng)終止執(zhí)行

對象終結(jié)規(guī)則：一個對象的初始化完成先行發(fā)生于他的finalize()方法的開始

這8條原則摘自《深入理解Java虛擬機(jī)》。

這8條規(guī)則中，前4條規(guī)則是比較重要的，后4條規(guī)則都是顯而易見的。

下面我們來解釋一下前4條規(guī)則：

對于程序次序規(guī)則來說，我的理解就是一段程序代碼的執(zhí)行在單個線程中看起來是有序的。注意，雖然這條規(guī)則中提到“書寫在前面的操作先行發(fā)生于書寫在后面的操作”，這個應(yīng)該是程序看起來執(zhí)行的順序是按照代碼順序執(zhí)行的，因?yàn)樘摂M機(jī)可能會對程序代碼進(jìn)行指令重排序。雖然進(jìn)行重排序，但是最終執(zhí)行的結(jié)果是與程序順序執(zhí)行的結(jié)果一致的，它只會對不存在數(shù)據(jù)依賴性的指令進(jìn)行重排序。因此，在單個線程中，程序執(zhí)行看起來是有序執(zhí)行的，這一點(diǎn)要注意理解。事實(shí)上，這個規(guī)則是用來保證程序在單線程中執(zhí)行結(jié)果的正確性，但無法保證程序在多線程中執(zhí)行的正確性。

第二條規(guī)則也比較容易理解，也就是說無論在單線程中還是多線程中，同一個鎖如果出于被鎖定的狀態(tài)，那么必須先對鎖進(jìn)行了釋放操作，后面才能繼續(xù)進(jìn)行l(wèi)ock操作。

第三條規(guī)則是一條比較重要的規(guī)則，也是后文將要重點(diǎn)講述的內(nèi)容。直觀地解釋就是，如果一個線程先去寫一個變量，然后一個線程去進(jìn)行讀取，那么寫入操作肯定會先行發(fā)生于讀操作。

第四條規(guī)則實(shí)際上就是體現(xiàn)happens-before原則具備傳遞性。

4.深入剖析volatile關(guān)鍵字

在前面講述了很多東西，其實(shí)都是為講述volatile關(guān)鍵字作鋪墊，那么接下來我們就進(jìn)入主題。

（1）volatile關(guān)鍵字的兩層語義

一旦一個共享變量（類的成員變量、類的靜態(tài)成員變量）被volatile修飾之后，那么就具備了兩層語義：

1）保證了不同線程對這個變量進(jìn)行操作時的可見性，即一個線程修改了某個變量的值，這新值對其他線程來說是立即可見的。

2）禁止進(jìn)行指令重排序。

先看一段代碼，假如線程1先執(zhí)行，線程2后執(zhí)行：

//線程1
boolean stop = false;
while(!stop){
    doSomething();
}
//線程2
stop = true;

這段代碼是很典型的一段代碼，很多人在中斷線程時可能都會采用這種標(biāo)記辦法。但是事實(shí)上，這段代碼會完全運(yùn)行正確么？即一定會將線程中斷么？不一定，也許在大多數(shù)時候，這個代碼能夠把線程中斷，但是也有可能會導(dǎo)致無法中斷線程（雖然這個可能性很小，但是只要一旦發(fā)生這種情況就會造成死循環(huán)了）。

下面解釋一下這段代碼為何有可能導(dǎo)致無法中斷線程。在前面已經(jīng)解釋過，每個線程在運(yùn)行過程中都有自己的工作內(nèi)存，那么線程1在運(yùn)行的時候，會將stop變量的值拷貝一份放在自己的工作內(nèi)存當(dāng)中。

那么當(dāng)線程2更改了stop變量的值之后，但是還沒來得及寫入主存當(dāng)中，線程2轉(zhuǎn)去做其他事情了，那么線程1由于不知道線程2對stop變量的更改，因此還會一直循環(huán)下去。

但是用volatile修飾之后就變得不一樣了：

第一：使用volatile關(guān)鍵字會強(qiáng)制將修改的值立即寫入主存；

第二：使用volatile關(guān)鍵字的話，當(dāng)線程2進(jìn)行修改時，會導(dǎo)致線程1的工作內(nèi)存中緩存變量stop的緩存行無效（反映到硬件層的話，就是CPU的L1或者L2緩存中對應(yīng)的緩存行無效）；

第三：由于線程1的工作內(nèi)存中緩存變量stop的緩存行無效，所以線程1再次讀取變量stop的值時會去主存讀取。

那么在線程2修改stop值時（當(dāng)然這里包括2個操作，修改線程2工作內(nèi)存中的值，然后將修改后的值寫入內(nèi)存），會使得線程1的工作內(nèi)存中緩存變量stop的緩存行無效，然后線程1讀取時，發(fā)現(xiàn)自己的緩存行無效，它會等待緩存行對應(yīng)的主存地址被更新之后，然后去對應(yīng)的主存讀取最新的值。

那么線程1讀取到的就是最新的正確的值。

（2）volatile保證原子性嗎？

從上面知道volatile關(guān)鍵字保證了操作的可見性，但是volatile能保證對變量的操作是原子性嗎？

下面看一個例子：

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()>1)  //保證前面的線程都執(zhí)行完
            Thread.yield();
        System.out.println(test.inc);
    }
}

大家想一下這段程序的輸出結(jié)果是多少？也許有些朋友認(rèn)為是10000。但是事實(shí)上運(yùn)行它會發(fā)現(xiàn)每次運(yùn)行結(jié)果都不一致，都是一個小于10000的數(shù)字。

可能有的朋友就會有疑問，不對啊，上面是對變量inc進(jìn)行自增操作，由于volatile保證了可見性，那么在每個線程中對inc自增完之后，在其他線程中都能看到修改后的值啊，所以有10個線程分別進(jìn)行了1000次操作，那么最終inc的值應(yīng)該是1000*10=10000。

這里面就有一個誤區(qū)了，volatile關(guān)鍵字能保證可見性沒有錯，但是上面的程序錯在沒能保證原子性?？梢娦灾荒鼙ＷC每次讀取的是最新的值，但是volatile沒辦法保證對變量的操作的原子性。

在前面已經(jīng)提到過，自增操作是不具備原子性的，它包括讀取變量的原始值、進(jìn)行加1操作、寫入工作內(nèi)存。那么就是說自增操作的三個子操作可能會分割開執(zhí)行，就有可能導(dǎo)致下面這種情況出現(xiàn)：

假如某個時刻變量inc的值為10，

線程1對變量進(jìn)行自增操作，線程1先讀取了變量inc的原始值，然后線程1被阻塞了；

然后線程2對變量進(jìn)行自增操作，線程2也去讀取變量inc的原始值，由于線程1只是對變量inc進(jìn)行讀取操作，而沒有對變量進(jìn)行修改操作，所以不會導(dǎo)致線程2的工作內(nèi)存中緩存變量inc的緩存行無效，所以線程2會直接去主存讀取inc的值，發(fā)現(xiàn)inc的值時10，然后進(jìn)行加1操作，并把11寫入工作內(nèi)存，最后寫入主存。

然后線程1接著進(jìn)行加1操作，由于已經(jīng)讀取了inc的值，注意此時在線程1的工作內(nèi)存中inc的值仍然為10，所以線程1對inc進(jìn)行加1操作后inc的值為11，然后將11寫入工作內(nèi)存，最后寫入主存。

那么兩個線程分別進(jìn)行了一次自增操作后，inc只增加了1。

解釋到這里，可能有朋友會有疑問，不對啊，前面不是保證一個變量在修改volatile變量時，會讓緩存行無效嗎？然后其他線程去讀就會讀到新的值，對，這個沒錯。這個就是上面的happens-before規(guī)則中的volatile變量規(guī)則，但是要注意，線程1對變量進(jìn)行讀取操作之后，被阻塞了的話，并沒有對inc值進(jìn)行修改。然后雖然volatile能保證線程2對變量inc的值讀取是從內(nèi)存中讀取的，但是線程1沒有進(jìn)行修改，所以線程2根本就不會看到修改的值。

根源就在這里，自增操作不是原子性操作，而且volatile也無法保證對變量的任何操作都是原子性的。

把上面的代碼改成以下任何一種都可以達(dá)到效果：

采用synchronized：
public class Test {
    public  int inc = 0;
    
    public synchronized 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()>1)  //保證前面的線程都執(zhí)行完
            Thread.yield();
        System.out.println(test.inc);
    }
}
采用Lock：
public class Test {
    public  int inc = 0;
    Lock lock = new ReentrantLock();
    
    public  void increase() {
        lock.lock();
        try {
            inc++;
        } finally{
            lock.unlock();
        }
    }
    
    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()>1)  //保證前面的線程都執(zhí)行完
            Thread.yield();
        System.out.println(test.inc);
    }
}
采用AtomicInteger：
public class Test {
    public  AtomicInteger inc = new AtomicInteger();
     
    public  void increase() {
        inc.getAndIncrement();
    }
    
    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()>1)  //保證前面的線程都執(zhí)行完
            Thread.yield();
        System.out.println(test.inc);
    }
}

在java 1.5的java.util.concurrent.atomic包下提供了一些原子操作類，即對基本數(shù)據(jù)類型的 自增（加1操作），自減（減1操作）、以及加法操作（加一個數(shù)），減法操作（減一個數(shù)）進(jìn)行了封裝，保證這些操作是原子性操作。atomic是利用CAS來實(shí)現(xiàn)原子性操作的（Compare And Swap），CAS實(shí)際上是利用處理器提供的CMPXCHG指令實(shí)現(xiàn)的，而處理器執(zhí)行CMPXCHG指令是一個原子性操作。

（3）volatile能保證有序性嗎？

在前面提到volatile關(guān)鍵字能禁止指令重排序，所以volatile能在一定程度上保證有序性。

volatile關(guān)鍵字禁止指令重排序有兩層意思：

1）當(dāng)程序執(zhí)行到volatile變量的讀操作或者寫操作時，在其前面的操作的更改肯定全部已經(jīng)進(jìn)行，且結(jié)果已經(jīng)對后面的操作可見；在其后面的操作肯定還沒有進(jìn)行；

2）在進(jìn)行指令優(yōu)化時，不能將在對volatile變量訪問的語句放在其后面執(zhí)行，也不能把volatile變量后面的語句放到其前面執(zhí)行。
可能上面說的比較繞，舉個簡單的例子：

//x、y為非volatile變量

//flag為volatile變量

x = 2;        //語句1

y = 0;        //語句2

flag = true;  //語句3

x = 4;         //語句4

y = -1;       //語句5

由于flag變量為volatile變量，那么在進(jìn)行指令重排序的過程的時候，不會將語句3放到語句1、語句2前面，也不會講語句3放到語句4、語句5后面。但是要注意語句1和語句2的順序、語句4和語句5的順序是不作任何保證的。

并且volatile關(guān)鍵字能保證，執(zhí)行到語句3時，語句1和語句2必定是執(zhí)行完畢了的，且語句1和語句2的執(zhí)行結(jié)果對語句3、語句4、語句5是可見的。
那么我們回到前面舉的一個例子：

//線程1:
context = loadContext();   //語句1
inited = true;             //語句2
//線程2:
while(!inited ){
  sleep()
}
doSomethingwithconfig(context);

前面舉這個例子的時候，提到有可能語句2會在語句1之前執(zhí)行，那么久可能導(dǎo)致context還沒被初始化，而線程2中就使用未初始化的context去進(jìn)行操作，導(dǎo)致程序出錯。

這里如果用volatile關(guān)鍵字對inited變量進(jìn)行修飾，就不會出現(xiàn)這種問題了，因?yàn)楫?dāng)執(zhí)行到語句2時，必定能保證context已經(jīng)初始化完畢。

（4）volatile的原理和實(shí)現(xiàn)機(jī)制

前面講述了源于volatile關(guān)鍵字的一些使用，下面我們來探討一下volatile到底如何保證可見性和禁止指令重排序的。

下面這段話摘自《深入理解Java虛擬機(jī)》：

“觀察加入volatile關(guān)鍵字和沒有加入volatile關(guān)鍵字時所生成的匯編代碼發(fā)現(xiàn)，加入volatile關(guān)鍵字時，會多出一個lock前綴指令”

lock前綴指令實(shí)際上相當(dāng)于一個內(nèi)存屏障（也成內(nèi)存柵欄），內(nèi)存屏障會提供3個功能：

1）它確保指令重排序時不會把其后面的指令排到內(nèi)存屏障之前的位置，也不會把前面的指令排到內(nèi)存屏障的后面；即在執(zhí)行到內(nèi)存屏障這句指令時，在它前面的操作已經(jīng)全部完成；

2）它會強(qiáng)制將對緩存的修改操作立即寫入主存；

3）如果是寫操作，它會導(dǎo)致其他CPU中對應(yīng)的緩存行無效。

（5）使用volatile關(guān)鍵字的場景

synchronized關(guān)鍵字是防止多個線程同時執(zhí)行一段代碼，那么就會很影響程序執(zhí)行效率，而volatile關(guān)鍵字在某些情況下性能要優(yōu)于synchronized，但是要注意volatile關(guān)鍵字是無法替代synchronized關(guān)鍵字的，因?yàn)関olatile關(guān)鍵字無法保證操作的原子性。通常來說，使用volatile必須具備以下2個條件：

1）對變量的寫操作不依賴于當(dāng)前值

2）該變量沒有包含在具有其他變量的不變式中
實(shí)際上，這些條件表明，可以被寫入 volatile 變量的這些有效值獨(dú)立于任何程序的狀態(tài)，包括變量的當(dāng)前狀態(tài)。

事實(shí)上，我的理解就是上面的2個條件需要保證操作是原子性操作，才能保證使用volatile關(guān)鍵字的程序在并發(fā)時能夠正確執(zhí)行。

下面列舉幾個Java中使用volatile的幾個場景。

1.狀態(tài)標(biāo)記量

volatile boolean flag = false;
while(!flag){
    doSomething();
}
public void setFlag() {
    flag = true;
}
volatile boolean inited = false;
//線程1:
context = loadContext();  
inited = true;            
//線程2:
while(!inited ){
sleep()
}
doSomethingwithconfig(context);
2.double check
class Singleton{
    private volatile static Singleton instance = null;
    private Singleton() {
         
    }
    public static Singleton getInstance() {
        if(instance==null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if(instance==null)
                    instance = new Singleton();
            }
        }
        return instance;
    }
}