14. Java中 volatile 关键字

1. 前言

本节内容主要是对 volatile 关键字进行讲解，具体内容点如下：

volatile 关键字概念介绍，从整体层面了解 volatile 关键字；
volatile 关键字与 synchronized 关键字的区别，这是本节的重点内容之一，了解 volatile 关键字与 synchronized 关键字的区别，才能更好地区分并掌握两钟关键字的使用；
volatile 关键字原理介绍，也是本节课程的重点之一；
volatile 关键字的使用，是本节课程的核心内容，所有的知识点都是围绕这一目的进行讲解的。

2. volatile 关键字介绍

概念：volatile 关键字解决内存可见性问题，是一种弱形式的同步。

介绍：该关键字可以确保当一个线程更新共享变量时，更新操作对其他线程马上可见。当一个变量被声明为 volatile 时，线程在写入变量时不会把值缓存在寄存器或者其他地方，而是会把值刷新回主内存。

当其他线程读取该共享变量时，会从主内存重新获取最新值，而不是使用当前线程的工作内存中的值。

3. volatile 与 synchronized 的区别

相似处：volatile 的内存语义和 synchronized 有相似之处，具体来说就是，当线程写入了 volatile 变量值时就等价于线程退出 synchronized 同步块（把写入工作内存的变量值同步到主内存），读取 volatile 变量值时就相当于进入 synchronized 同步块（先清空本地内存变量值，再从主内存获取最新值）。

区别：使用锁的方式可以解决共享变量内存可见性问题，但是使用锁太笨重，因为它会带来线程上下文的切换开销。具体区别如下：

volatile 本质是在告诉 jvm 当前变量在寄存器（工作内存）中的值是不确定的，需要从主存中读取；synchronized 则是锁定当前变量，只有当前线程可以访问该变量，其他线程被阻塞住；
volatile 仅能使用在变量级别；synchronized 则可以使用在变量、方法、和类级别的；
volatile 仅能实现变量的修改可见性，不能保证原子性；而 synchronized 则可以保证变量的修改可见性和原子性；
volatile 不会造成线程的阻塞；synchronized 可能会造成线程的阻塞；
volatile 标记的变量不会被编译器优化；synchronized 标记的变量可以被编译器优化

4. volatile 原理

原理介绍：Java 语言提供了一种弱同步机制，即 volatile 变量，用来确保将变量的更新操作通知到其他线程。

当把变量声明为 volatile 类型后，编译器与运行时都会注意到这个变量是共享的，volatile 变量不会被缓存在寄存器或者对其他处理器不可见的地方，因此在读取 volatile 类型的变量时总会返回最新写入的值。

Tips：在访问 volatile 变量时不会执行加锁操作，因此也就不会使执行线程阻塞，因此 volatile 变量是一种比 sychronized 关键字更轻量级的同步机制。

我们来通过下图对非 volatile 关键字修饰的普通变量的读取方式进行理解，从而更加细致的了解 volatile 关键字修饰的变量。

当对非 volatile 变量进行读写的时候，每个线程先从内存拷贝变量到 CPU 缓存中。如果计算机有多个 CPU，每个线程可能在不同的 CPU 上被处理，这意味着每个线程可以拷贝到不同的 CPU cache 中。

而声明变量是 volatile 的，JVM 保证了每次读变量都从内存中读，跳过 CPU cache。

5. volatile 关键字的使用

为了对 volatile 关键字有着更深的使用理解，我们通过一个非常简单的场景的设计来进行学习。

场景设计：

创建一个 Student 类，该类有一个 String 属性，name；
将 name 的 get 和 set 方法设置为同步方法；
使用 synchronized 关键字实现；
使用 volatile 关键字实现。

这是一个非常简单的场景，场景中只涉及到了一个类的两个同步方法，通过对两种关键字的实现，能更好的理解 volatile 关键字的使用。

实例： synchronized 关键字实现

public class Student {
    private String name;

    public synchronized String getName() {
        return name;
    }

    public synchronized void setName(String name) {
        this.name = name;
    }
}

实例： volatile 关键字实现

public class Student {
    private volatile String name;

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }
}

总结：在这里使用 synchronized 和使用 volatile 是等价的，都解决了共享变量 name 的内存可见性问题。

但是前者是独占锁，同时只能有一个线程调用 get（）方法，其他调用线程会被阻塞，同时会存在线程上下文切换和线程重新调度的开销，这也是使用锁方式不好的地方。

而后者是非阻塞算法，不会造成线程上下文切换的开销。