【JAVA进阶篇教学】第十三篇：Java中volatile关键字讲解

博主打算从0-1讲解下java进阶篇教学，今天教学第十三篇：volatile关键字讲解。

在 Java 中，volatile关键字是一种轻量级的同步机制，用于确保变量的可见性和禁止指令重排序。本文将详细解释volatile关键字的工作原理、可见性保证以及与其他锁的相似之处，并通过代码示例进行说明。

一、volatile关键字作用

二、volatile关键字原理

三、volatile关键字的可见性

四、volatile关键字与锁的相似之处

五、volatile关键字的禁止指令重排序

六、总结

一、volatile关键字作用

volatile 关键字用于修饰变量，确保多线程环境下对该变量的读写操作是可见的。具体来说，当一个线程修改了 volatile 变量的值时，其他线程能够立即看到这个修改，从而避免了线程之间的数据不一致性问题。

二、volatile关键字原理

volatile 关键字的可见性是通过在编译器和运行时进行一系列优化来实现的。在编译器层面，volatile 变量的读写操作会插入内存屏障指令，确保了线程在进行读写操作时能够从主内存中读取最新的值或将修改后的值刷新到主内存中。在运行时，JVM 会确保对 volatile 变量的操作是原子的，从而保证了多线程环境下的可见性。

注意：volatile并不能保证数据的原子性！

三、volatile关键字的可见性

volatile关键字可以确保变量的可见性。当一个变量被声明为volatile时，它告诉 Java 虚拟机（JVM），这个变量可能会被多个线程同时访问，并且线程对该变量的修改对于其他线程是可见的。

以下是一个简单的示例代码，演示了volatile关键字的可见性：

public class VolatileVisibilityExample {
    private volatile boolean flag = false;

    public void setFlag(boolean value) {
        flag = value;
    }

    public boolean isFlagSet() {
        return flag;
    }

    public static void main(String[] args) {
        VolatileVisibilityExample example = new VolatileVisibilityExample();

        // 创建并启动线程
        Thread thread = new Thread(() -> {
            while (!example.isFlagSet()) {
                // 等待 flag 变为 true
            }
            System.out.println("Flag 已设置为 true");
        });

        thread.start();

        // 修改 flag 的值
        example.setFlag(true);
    }
}

在上述示例中，我们创建了一个名为flag的volatile变量，并在一个线程中不断检查它的值。在主线程中，我们修改了flag的值，并期望子线程能够立即看到这个修改。由于flag是volatile变量，所以线程对flag的修改对于其他线程是可见的，子线程将立即退出循环并输出"Flag 已设置为 true"。

四、volatile关键字与锁的相似之处

volatile关键字和锁都可以用于实现线程之间的同步，但它们的实现方式和适用场景有所不同。
volatile关键字是一种轻量级的同步机制，它不会引起线程的阻塞和唤醒，因此执行效率较高。但是，volatile关键字只能保证变量的可见性，不能保证原子性。如果需要实现原子性操作，需要使用锁或其他同步机制。
锁是一种更重量级的同步机制，它可以保证原子性、可见性和有序性。锁的实现通常基于操作系统的互斥锁或信号量，因此执行效率较低。但是，锁可以用于实现更复杂的同步逻辑，例如实现临界区、读写锁等。

五、volatile关键字的禁止指令重排序

除了可见性保证之外，volatile关键字还可以禁止指令重排序。指令重排序是一种优化技术，它可以在不改变程序语义的情况下，重新排列指令的执行顺序，以提高执行效率。但是，指令重排序可能会导致多线程程序出现问题，例如竞态条件、数据不一致等。
volatile关键字通过添加内存屏障来禁止指令重排序。内存屏障是一种硬件机制，它可以确保在执行当前指令之前，先执行之前的所有内存操作，并且在执行当前指令之后，再执行之后的所有内存操作。这样可以保证指令的执行顺序不会被重排序。

以下是一个简单的示例代码，演示了volatile关键字的禁止指令重排序：

public class VolatileMemoryOrderingExample {
    private volatile int value = 0;

    public void setValue(int value) {
        this.value = value;
    }

    public int getValue() {
        return value;
    }

    public static void main(String[] args) {
        VolatileMemoryOrderingExample example = new VolatileMemoryOrderingExample();

        // 创建并启动线程
        Thread thread = new Thread(() -> {
            int expectedValue = 1;
            while (example.getValue()!= expectedValue) {
                // 等待 value 变为 1
            }
            System.out.println("Value 已设置为 1");
        });

        thread.start();

        // 修改 value 的值
        example.setValue(1);
    }
}

在上述示例中，我们创建了一个名为value的volatile变量，并在一个线程中不断检查它的值。在主线程中，我们修改了value的值，并期望子线程能够立即看到这个修改。由于value是volatile变量，并且使用了内存屏障来禁止指令重排序，所以线程对value的修改对于其他线程是可见的，子线程将立即退出循环并输出"Value 已设置为 1"。