對于volatile型變量的特殊規(guī)則

關鍵字volatile可以說是Java虛擬機提供的最輕量級的同步機制。

在處理多線程數(shù)據(jù)競爭問題時，不僅僅是可以使用synchronized關鍵字來實現(xiàn)，使用volatile也可以實現(xiàn)。

Java內存模型對volatitle專門定義了一些特殊的訪問規(guī)則，當一個變量被定義為volatile時，它將具備以下兩個特性：

第一個是保證此變量對所有線程的可見性，這里的“可見性”是指當一條線程修改了這個變量的值，新值對于其他線程來說是可以立即得知的。而普通變量不能做到這一點，普通變量的值，在線程之間的傳遞都是需要通過主內存的的stroe和write操作以及read和load操作來實現(xiàn)的。volatile只保證了變量的可見性，但并不能保證變量運算的原子性。

第二個是禁止指令重排序優(yōu)化，普通的變量僅僅會保證在該方法的執(zhí)行過程中所有依賴賦值結果的地方都能獲取到正確的結果，而不能保證變量賦值操作的順序與程序代碼中的執(zhí)行順序一致。

由于volatile變量只能保證可見性，在不符合以下兩條規(guī)則的運算場景中，我們仍然要通過枷鎖（使用synchronized或java.util.concurrent中的原子類）來保證原子性。

• 運算結果并不依賴變量的當前值，或者能夠確保只有單一的線程修改變量的值。
• 變量不需要與其他的狀態(tài)變量共同參與不變約束。

如下代碼就很適合使用volatile變量來控制并發(fā)：

    volatile boolean shutdownRequested;
    
    public void shutdown(){
        shutdownRequested = true;
    }
    
    public void doWork(){
        while (!shutdownRequested){
            //do something;
        }
    }

原子性、可見性與有序性

Java內存模型是圍繞著在并發(fā)過程中如何處理原子性、可見性、和有序性這3個特征來建立的，下面來介紹一下這3個特征：

原子性（Atomicity）：

由Java內存模型來直接保證的原子性變量操作包括read、load、assign、use、store、和write，我基本可以認為基本數(shù)據(jù)類型的訪問讀寫是具備原子性的。如果需要一個更大范圍的原子性保證，Java內存模型還提供了lock和unlock操作來滿足這種需求，盡管虛擬機未把這兩個操作直接開發(fā)給用戶使用，但卻提供了更高層次的字節(jié)碼指令來隱式地使用這兩個操作，這兩個字節(jié)碼指令反應到Java代碼中就是同步塊----synchronized關鍵字，因此synchronized塊之間的操作也具備原子性。

可見性（Visibility）：

可見性是指當一個線程修改了共享變量的值，其他線程能夠立即得知這個修改。Java內存模型是通過在變量修改后將新值同步回主內存，在變量讀取前從主內存刷新變量值這種依賴主內存作為傳遞媒介的方式來實現(xiàn)可見性的，無論是普通變量還是volatile變量和是普通變量都是如此，普通變量與volatile變量的區(qū)別是，volatile的特殊規(guī)則保證了新值能立即同步到主內存，以及每次使用前立即從主內存刷新。

除了volatile之外，synchronized和final也可以實現(xiàn)可見性，synchronized的可見性是由“對一個變量執(zhí)行unlock操作之前，必須先把此變量同步回主內存中”這條規(guī)則獲得的，final是因為被final修飾的字段在構造器中一旦完成，并且構造器沒有吧“this”的引用傳遞出去，在其他線程中就能看見final字段值。

有序性（Ordering）:

Java程序中天然的有序性可以總結為一句話：如果在本線程內觀察，所以的操作都是有序的；如果在一個線程中觀察另一個線程，所有的操作都是無序的。前半句指“線程內表現(xiàn)為串行語義”，后半句指“指令重排序”現(xiàn)象和“工作內存與主內存同步延遲”現(xiàn)象。

Java提供了volatile和synchronized兩個關鍵字來保證線程之間的操作時有序的，volatile包含了精致指令重排序的語義，而synchronized是由“一個變量在同一時刻只允許一個條線程對其進行l(wèi)ock操作”這條規(guī)則獲得的，這條規(guī)則決定了持有同一個鎖的兩個同步塊只能串行的進入。

先行發(fā)生原則（appens-before）

若Java內存模型中所有的有序性都僅依靠volatile和synchronized來完成，那么有一些操作會變得很繁瑣，但是我們在寫java代碼中并沒有感知這一點，因為Java語言中有一個“先行發(fā)生”原則。

先行發(fā)生是Java內存模型中定義的兩項操作之間的偏序關系，若操作A先行發(fā)生于操作B，操作A產(chǎn)生的影響能被操作B觀察到，“影響”是指修改了內存中共享變量的值、發(fā)送了消息、調用了方法等。

如下例子：

    //以下操作在線程A中執(zhí)行
    i = 7;
    
    //以下操作在線程B中執(zhí)行
    j = i;
    
    //以下操作在線程C中執(zhí)行
    i = 9;

如果線程A先行發(fā)生于線程B那么變量j一定是7，因為線程A的操作會被線程B觀察到進而被影響，而此時線程C還沒有發(fā)生，所以j一定是7。但如果線程C出現(xiàn)在線程A和線程B之間，線程C沒有與線程B不存在先行發(fā)生，那么此時線程C對變量i的影響可能會被線程B觀察到，也可能不會，這時線程B讀取到的數(shù)據(jù)就存在過期風險，不具備多線程安全性。

Java內存模型中存在一些“天然的”先行發(fā)生關系，這些先行發(fā)生關系無須任何同步器協(xié)助就已經(jīng)存在。如果兩個操作之間的關系不在如下規(guī)則中，并且無法從下列規(guī)則中推導出來，那它們就沒有順序性保障，虛擬機可以對它們隨意地進行重排序。

如下：

程序次序規(guī)則：在一個線程內按照程序代碼順序，書寫在前面的操作先行發(fā)生于書寫在后面的操作。準確的地應該是控制流順序而不是程序代碼順序，因為要考慮分支、循環(huán)等結構。

管程鎖定規(guī)則：一個unlock操作先行發(fā)生于后面對同一個鎖的lock操作。這里指的是同一個鎖，而“后面”是指時間上的先后順序。

volatile變量規(guī)則：對于一個變量的寫操作先行發(fā)生于后面對這個變量的讀操作，這里的“后面”同樣指時間上的先后順序。

線程啟動規(guī)則：Thread對象的start()方法先行發(fā)生于此線程的每一個動作。

線程終止規(guī)則：線程中的所有操作都先行發(fā)生于對此線程的終止檢測，我們可以通過Thread.join()方法結束、Thread.isAlive()的返回值等手段檢測到線程已經(jīng)終止執(zhí)行。

線程中斷規(guī)則：對線程interrupt()方法的調用先行發(fā)生于被中斷線程的代碼檢測到中斷事件的發(fā)生，可以通過Thread.interrupted()方法檢測到是否有中斷發(fā)生。

對象終結規(guī)則：一個對象的初始化完成（構造函數(shù)執(zhí)行結束）先行發(fā)生于它的finalize()方法的開始。

傳遞性：如果操作A先行發(fā)生于操作B，操作B先行發(fā)生于操作C，那就可以得出結論：操作A優(yōu)先發(fā)生于操作C。

如何判斷操作是否有順序性呢？代碼示例如下：

    private int value = 9;

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

一組普通的getter/setter方法，若線程A先調用了“setValue(10)”，然后線程B調用了同一個對象的“getValue()”，那么線程B得到的返回值是什么？

分析：由于線程A和線程B時兩個線程所以程序次序規(guī)則不適用，由于沒有同步塊，也不會發(fā)生lock和unlock，所以管程鎖定規(guī)則也不適用，沒有volatile關鍵字，所以volatile變量規(guī)則也不適用，后面的線程啟動規(guī)則、線程終止規(guī)則、線程中斷規(guī)則、對象終結規(guī)則也和這里沒關系。因為沒有一個適用的先行發(fā)生規(guī)則，所以傳遞性也不存在，因此雖然線程A在時間上先與線程B，但是無法確定線程B中“getValue()”的返回值，也就是說，這個操作不具備多線程安全性。

那么怎么修復這個問題，讓這個操作編程線程安全的呢？有兩種方式：

把getter/setter方法都定義為synchronized方法。

把value定義為volatile變量。

雖然時間上的先行執(zhí)行不代表就會先行發(fā)生，那如果先行發(fā)生是不是就一定會是時間上的先行執(zhí)行呢？

舉例說明：

    //以下操作在同一個線程中執(zhí)行
    int i = 10;
    
    int j = 20;

由于兩條賦值語句，在同一個線程中執(zhí)行，根據(jù)程序次序規(guī)則，第一條語句先行發(fā)生于第二條語句，但是第二條語句的代碼完全可能先被處理器執(zhí)行，這并不影響先行發(fā)生原則的正確性，因為在這條線程之中沒有辦法感知到這一點。

通過兩個例子總結出，時間先后順序與先行發(fā)生原則之間基本沒什么太大的關系，所以并發(fā)問題不要受時間順序的干擾，要以先行發(fā)生原則為準。

Java內存模型這部分也就完結了，雖然說都記錄下來，但是有的地方還是有些云里霧里，看來以后要回顧自己的知識，并且要根據(jù)這一部分的知識找到一兩個的面試題或者是，自己提出疑惑然后通過查資料把自己的疑惑解開，這樣能加深印象，畢竟這些理論性的知識如果不是理解透了，是很容易忘記得。

馬上就要裸辭出去找工作面試了，希望通過自己這段時間的努力，在面試過程中不會被打擊的很慘。