Volatile

volatile 的使用是为了线程安全，但 volatile 不保证线程安全。

线程安全有三个要素：可见性、有序性和原子性。

线程安全是指在多线程情况下，对共享内存的使用，不会因为不同线程的访问和修改发生与预期不符的情况。

volatile 的作用

volatile 有以下三个作用：

volatile 用于解决多核 CPU cache（高速缓存）导致的变量不同步

这本质上是个硬件问题，其根源在于：CPU 的高速缓存的读取速度远远快于主存（物理内存）。

所以，CPU 在读取一个变量的时候，会把数据先读取到缓存，这样下次再访问同一个数据的时候就可以直接从缓存读取了，显然提高了读取的性能。

而多核 CPU 有多个这样的缓存。这就带来了问题，当某个 CPU（例如 CPU1）修改了这个变量（比如把 a 的值从 1 修改为 2 ），但是其他的 CPU（例如 CPU2）在修改前已经把 a=1 读取到自己的缓存了，当 CPU2 再次读取数据的时候，它仍然会去自己的缓存区中读取，此时读取到的值仍然是 1，但是实际上这个值已经变成 2 了。

这里，就涉及了线程安全的要素：可见性。

可见性是指当多个线程在访问同一个变量时，如果其中一个线程修改了变量的值，那么其他线程应该能立即看到修改后的值。

volatile 的实现原理是内存屏障（Memory Barrier），其原理为：当 CPU 写数据时，如果发现一个变量在其他 CPU 中存有副本，那么会发出信号通知其他 CPU 将该副本对应的缓存行置为无效状态，当其他 CPU 读取到 变量副本的时候，会发现该缓存行是无效的，然后，它会从主存重新读取变量。

volatile 可以解决指令重排序的问题

一般情况下，程序是按照顺序执行的，例如下面的代码：

1        int i = 0;
2        i++;
3        boolean f = false;
4        f = true;

如果 i++ 发生在 int i = 0 之前，那么会不可避免地出错，CPU 在执行代码对应指令的时候，会认为 1、2 两行是具备依赖性的，因此，CPU 一定会安排行 1 早于行 2 执行。

那么，int i = 0 一定会早于 boolean f = false 吗？

并不一定，CPU 在运行期间会对指令进行优化，没有依赖关系的指令，它们的顺序可能会被重排。

在单线程执行的情况下，发生重排是没有问题的，CPU 保证了顺序不一定一致，但结果一定一致（重排前和重排后指令执行得到的结果一致）。

但在多线程环境下，重排序则会引起很大的问题，这又涉及了线程安全的要素：有序性

有序性是指程序执行的顺序应当按照代码的先后顺序执行。

为了更好地理解有序性，下面通过一个例子来分析：

//成员变量 i
int i = 0;

//线程一的执行代码
Thread.sleep(10);
i++;
f = true;
//线程二的执行代码
while(!f){
    System.out.println(i);
}

理想的结果应该是：线程二不停地打印 0，最后打印一个1，终止。

在线程一里，f 和 i 没有依赖性，如果发生了指令重排，那么 f = true 发生在 i++ 之前，就有可能导致线程二在终止循环前输出的全部是 0。

需要注意的是，这种情况并不常见，再次运行并不一定能重现，正因为如此，很可能会导致出现一些莫名的问题。

如果修改上方代码中 i 的定义为使用 volatile 关键字来修饰，那么就可以保证最后的输出结果符合预期。

这是因为，被 volatile 修饰的变量，CPU 不会对它做重排序优化，所以也就保证了有序性。

volatile 不保证操作的原子性

原子性：一个或多个操作，要么全部连续执行且不会被任何因素中断，要么就都不执行。

一眼看上去，这个概念和数据库概念里的事务（Transaction）很类似，没错，事务就是一种原子性操作。

原子性、可见性和有序性，是线程安全的三要素。

需要特别注意的是，volatile 保证可见性和有序性，但是不保证操作的原子性，下面的代码将会证明这一点：

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

public class TestVolatile3 {

    static volatile int intVal = 0;

    public static void main(String[] args) {

        Map<Long, Long> map = new HashMap<>();

        //创建10个线程，执行简单的自加操作
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                    intVal++;
                    if (j == 999) {
                        System.out.printf("id:%d 已经循环到999\n", Thread.currentThread().getId());
                    }
                }
            }).start();
        }

        // 保证之前启动的全部线程执行完毕
        while(Thread.activeCount() > 1) {
            Thread.yield();
        }

        System.out.println(intVal);

    }

}

注意：上面代码在 Windows 命令行中运行没有问题：

E:\record\2023\3\2>javac TestVolatile3.java -encoding utf-8

E:\record\2023\3\2>java TestVolatile3
id:13 已经循环到 999
id:17 已经循环到 999
id:16 已经循环到 999
id:19 已经循环到 999
id:21 已经循环到 999
id:20 已经循环到 999
id:22 已经循环到 999
id:14 已经循环到 999
id:18 已经循环到 999
id:15 已经循环到 999
7759

可以进行测试

但在 IDEA 中运行的话会出问题：IDEA 启动程序后出了有“main”线程，还会多出一个“Monitor Ctrl-Break”的线程，所以会因 while(Thread.activeCount() > 1) 陷入死循环

在之前的内容有提及，volatile 能保证修改后的数据对所有线程可见，那么，这一段对 intVal 自增的代码，最终执行完毕的时候，intVal 应该为 10000。

但事实上，结果是不确定的，大部分情况下会小于 10000。这是因为，无论是 volatile 还是自增操作，都不具备原子性。

假设 intVal 初始值为 100，自增操作的指令执行顺序如下所示：

1. 获取 intVal，此时主存内 intVal 值为 100；
2. intVal 执行 +1， 得到 101，此时主存内 intVal 值仍然为 100；
3. 将 101 写回给 intVal，此时主存内 intVal 值从 100 变化为 101。

具体执行流程如图：

这个过程很容易理解，如果这段指令发生在多线程环境下呢？

以下面这段会发生错误的指令顺序为例：

1. 线程一获得了 intVal 值为 100；
2. 线程一执行+1，得到 101，此时值没有写回给主存；
3. 线程二在主存内获得了 intVal 值为 100；
4. 线程二执行+1，得到 101；
5. 线程一写回 101；
6. 线程二写回 101；

于是，最终主存内的 intVal 值，还是 101。具体执行流程如图：

为什么 volatile 的可见性保证在这里没有生效？

根据 volatile 保证可见性的原理（内存屏障），当一个线程执行写的时候，才会改变“数据修改”的标量，在上述过程中，线程一在执行加法操作发生后，写回操作发生前，CPU 开始处理线程二的时间片，执行了另外一次读取 intVal，此时 intVal 值为 100，且由于写回操作尚未发生，这一次读取是成功的。

因此，出现了最后计算结果不符合预期的情况。

synchronized 关键字确实可以解决多线程的原子操作问题，可以修改上面的代码为：

        Object lock = new Object();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(() -> {
                synchronized (lock) {
                    for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                        intVal++;
                    }
                }
            }).start();
        }

但是，这种方式明显效率不高，10个线程都在争抢同一个代码块的使用权。（其实可以通过 CAS 来保证原子性可以获得更高的效率）

由此可见，volatile 只能提供线程安全的两个必要条件：可见性和有序性。