一文讲全volatile关键字

1. 背景与内存模型

• ​缓存一致性问题​​：在多线程环境下，由于每个线程可能拥有自己的工作内存（如CPU高速缓存），对共享变量的修改可能不会立即被其他线程看到，导致数据不一致。
• ​解决方案​​：硬件层面通过总线锁或缓存一致性协议（如MESI）解决，volatile在Java中提供了语言层面的支持。

2. 并发编程的三大问题

• ​原子性​​：一个操作不可中断，要么全部完成，要么不执行（如赋值操作是原子的，但i++不是）。
• ​可见性​​：一个线程修改共享变量后，其他线程能立即看到新值。
• ​有序性​​：程序执行顺序按代码顺序执行（但指令重排序可能破坏有序性）。

3. volatile的作用

• ​保证可见性​​：强制将修改的值立即写入主存，并使其他线程的缓存失效，确保读取最新值。
• ​禁止指令重排序​​：通过内存屏障（lock前缀指令）确保操作顺序性，避免重排序引发的并发问题。

4. volatile的局限性

• ​不保证原子性​​：例如volatile int i; i++不是原子操作（需结合synchronized、Lock或AtomicInteger）。
• ​使用条件​​：对变量的写操作不依赖当前值（如状态标记量），且不参与其他变量的不变式。

5. 适用场景

• ​状态标记量​​：如volatile boolean flag，控制线程执行流程。

• public class Singleton {private volatile static Singleton instance;public static Singleton getInstance() {if (instance == null) {synchronized (Singleton.class) {if (instance == null) {instance = new Singleton(); // 避免重排序}}}return instance;}
  }

  ​双重检查锁（Double-Checked Locking）​​：用于单例模式，避免指令重排序导致未初始化对象被访问。

6. 实现原理

通过JVM的lock指令实现内存屏障，功能包括：

• 阻止指令重排序跨越屏障；
• 强制缓存修改立即写入主存；
• 使其他CPU的缓存行无效。

关键对比

• volatilevs synchronized​​：volatile仅保证可见性和有序性，不保证原子性；synchronized能保证三者，但性能开销较大。
• ​​​​​​​​替代方案​​：原子类（如AtomicInteger）通过CAS操作保证原子性。

总之，volatile是轻量级的同步机制，适用于不依赖当前值的状态标记或禁止重排序的场景，但需谨慎评估其原子性需求。