＜JavaEE＞ volatile关键字 — 保证内存可见性、禁止指令重排序

一、内存可见性

1.1 Ja va 内存 模型(JMM)

1）什么是Ja va 内存模型（JMM）？

Ja va内存模型即Ja va Memo ry Mod el，简称JMM。用于屏蔽各种硬件和操作系统的内存访问差异，以实现让Ja va 程序在各平台下都能够达到一致的内存访问效果，即实现“跨平台”。

2）JMM中的“主内存”概念和“工作内存”概念
“主内存”	硬件中的内存，在JMM中表述为“主内存”，其中存储了线程间的共享变量等数据。
“工作内存”	CPU寄存器和缓存等临时存储区，在JMM中表述为“工作内存”，每个线程都有自己的“工作内存”。

3）线程和“主内存”、“工作内存”的关系

当线程需要读取共享变量时，会从“主内存”拷贝至“工作内存”，再从“工作内存”读取。

当线程需要修改共享变量时，会先修改“工作内存”中的数据副本，再将数据同步回“主内存”。

线程运行中，数据的交互是频繁且持续的，而CPU访问自身寄存器和高速缓存的速度远高于访问内存的速度。

因此，采用频繁与“工作内存”交互、需要时再与“主内存”交互的工作策略，有利于提高运行效率，是编译器优化的方式之一。

1.2 内存可见性演示

什么是内存可见性？

内存可见性是指，线程对共享变量值的修改，能否被其他线程及时察觉。

如果一个线程修改了共享变量值，但没有及时写回内存中，导致其他线程无法获得已修改的正确数据，这就被认为出现了线程安全问题。

内存可见性是导致线程不安全的原因之一。

代码演示内存不可见导致线程不安全：

public class Volatile_Demo0 {
    //有一个共享变量flag，注意该变量没有被 volatile 修饰；
    public static int flag = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //创建一个线程，线程中当flag为0时，一直循环判断；
        Thread t = new Thread(()-&gt;{
            while (flag == 0){}
        });

        //启动线程；
        System.out.println("run开始");
        t.start();

        //让main线程休眠两秒后，将flag的值改为1；
        Thread.sleep(2000);
        flag = 1;

        //让main线程等待t线程结束；
        t.join();
        System.out.println("run结束");
    }
}

//运行结果：
run开始
...

程序一直在执行，没有打印“run结束”。
出现了线程安全问题。

上述代码问题分析：

程序无法结束的原因是什么？

根据代码，flag 在线程启动两秒后被改为 1 ，此时 t 线程应该因为跳出 while 循环而执行完毕。

但实际情况却不是这样，t 线程没有结束。

正如上文“线程和‘主内存’、‘工作内存’的关系”中提到的，线程读取共享数据到“工作内存中”，再从“工作内存”读取数据。

所以此时在 t 线程中，参与 while 循环条件判断的 flag ，实际上是一个存储在“工作内存”的 flag 副本。

当 flag 通过另一线程改变值，改变的是“主内存”中的 fl a g，t 线程并不能察觉。

因此 t 线程无法从 while 循环中跳出并结束。

这就是内存可见性影响线程安全的情况之一。

二、指令重排序

1）什么是指令重排序？

指令重排序是指编译器自动调整原有代码的执行顺序，在保证逻辑不变的前提下，提高程序运行效率。

指令重排序也是编译器优化的方式之一。

2）指令重排序存在什么问题？

指令重排序的前提是“保证逻辑不变”。这一点在单线程环境下较容易判断，但是在多线程环境下，代码复杂程度高，编译器在编译阶段对代码执行效果的判断存在困难。

因此在多线程环境下，代码重排序很容易导致优化后和优化前的逻辑不等价。

图示演示指令重排序可能出现的问题：

三、关键字 volatile

1）volatile 的作用是什么？
<1>	保证内存可见性。volatile 修饰的变量每次被访问都必须从内存中读取，每次被修改都必须存储到内存中。
<2>	禁止指令重排序。volatile 修饰的变量读写操作的相关指令不允许被重排序。

2）内存可见性和指令重排序都是编译器优化，怎么好像都是负作用？

在大部分场景下，编译器优化都能非常优秀的提高程序的运行效率，只是在多线程编程的部分关键代码中，存在线程不安全的风险。

3）volatile 不保证原子性

v olatile 和 synchronized 有本质的区别，synchronized 保证原子性，而 v olatile 保证的是内存可见性。

4）合理的使用 v olatile 关键字

编译器优化就好像一场激烈的风暴，而程序员要做的就是掌控这场风暴，必要时让风暴停一停。

为此，Java 提供了 v olatile 关键字供程序员使用。当使用 v olatile 关键字时，强制读写内存，禁止指令重排序，程序运行速度变慢，但数据准确性提高，线程变得安全了。

代码演示 v olatile 的使用效果，沿用上文“内存可见性演示”中的代码：

public class Volatile_Demo0 {
    //有一个共享变量flag，注意该变量已经被 volatile 修饰；
    public volatile static int flag = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //创建一个线程，线程中当flag为0时，一直循环判断；
        Thread t = new Thread(()->{
            while (flag == 0){}
        });

        //启动线程；
        System.out.println("run开始");
        t.start();

        //让main线程休眠两秒后，将flag的值改为1；
        Thread.sleep(2000);
        flag = 1;

        //让main线程等待t线程结束；
        t.join();
        System.out.println("run结束");
    }
}

//运行结果：
run开始
run结束

与上文“内存可见性演示”中的代码唯一的不同，就是在共享变量 flag 上，使用了 volatile 进行修饰。
但这次的结果是程序正常执行完毕，证明了 volatile 的作用。