关于volatile关键字要清楚的地方

引言

在Java多线程编程中，volatile关键字扮演着至关重要的角色。它简单而强大，能够确保共享变量的可见性和有序性。本文将深入探讨volatile关键字的原理、使用场景以及它在Java内存模型中的作用。

什么是volatile关键字?

volatile是Java中的一个基本关键字，用于修饰变量。当一个变量被声明为volatile时，它保证每次访问变量时都会从主内存中读取，而不是从线程的工作内存中读取。这意味着，当一个线程修改了volatile变量时，其他线程能够立即看到这个改变。

JMM(Java Memory Model)java内存模型

1. 主内存（Main Memory） ： 主内存是所有线程共享的内存区域，存储了Java程序中的共享变量。线程对共享变量的读写操作都必须通过主内存来完成。
2. 工作内存（Thread Working Memory） ： 每个线程都有自己的工作内存，用于存储线程私有的数据和共享数据的副本。线程对共享变量的所有操作都必须在工作内存中进行，不能直接操作主内存中的变量。

可见性

在多线程环境中，线程通常会将变量复制到自己的工作内存中进行操作，以提高效率。但是，这种优化可能会导致一个问题：一个线程对变量的修改可能不会立即反映到其他线程的工作内存中。这就是所谓的“可见性问题”。 通过将变量声明为volatile，我们可以确保所有线程看到的变量值是一致的。这是因为volatile变量的写操作会直接作用于主内存，并且每次读取都会从主内存中获取最新的值。

有序性

volatile关键字还能防止指令重排序。在Java中，编译器和处理器可能会对指令进行重排序，以提高性能。然而，这种优化可能会导致多线程程序出现意外的行为。 当变量声明为volatile时，它会在每次写操作后插入一个写内存屏障（Store Memory Barrier），并在每次读操作前插入一个读内存屏障（Load Memory Barrier）。这些内存屏障确保了volatile变量的操作在内存中是有序的。

volatile使用场景

1. 标志和状态：当volatile用于布尔标志或状态变量时，它可以确保线程之间的状态同步。
2. 双重检查锁定：在实现单例模式时，volatile可以防止指令重排序，确保单例对象的正确创建。

volatile实现双重校验锁

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;
    }
}

1. 私有构造函数：为了确保不能通过new关键字直接创建实例，我们将构造函数设置为私有。

2. 静态变量instance：这是单例对象的引用，初始时设置为null。

3. volatile关键字：在instance变量前使用volatile关键字，确保了变量的读写操作对所有线程立即可见。这是双重检查锁定模式能够正常工作的关键。

4. getInstance()方法：

   • 首先，检查instance是否已经被初始化，如果已经初始化，直接返回instance。
   • 如果instance为null，则进入同步块。这里的同步机制确保了只有一个线程能够进入并创建实例。
   • 在同步块内部，再次检查instance是否为null，这是因为在进入同步块的瞬间，其他线程可能已经创建了实例。这是双重检查的真正意义所在。
   • 如果instance仍然为null，则创建单例对象，并返回。

限制与替代

虽然volatile关键字非常强大，但它并不能替代所有的同步操作。volatile不能保证复合操作的原子性，例如自增操作（i++）。在这种情况下，我们需要使用锁（synchronized关键字）或原子类（如AtomicInteger）来保证操作的原子性。