浅谈volatile变量的理解

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在Java并发编程里面，volatile是个很重要的概念，大象也来讲讲自己对它的理解。

    以前曾经有段时间我一直没搞明白volatile到底怎么用，它是怎样实现的同步，而且对于volatile变量还有一些限制条件。任何技术在没完全弄明白之前，至少在没熟练掌握之前都不太敢放心大胆的用，大象想将自己对它的理解分享出来，给需要的人一些帮助。
    volatile是轻量级的锁，它只具备可见性，但没有原子特性。用volatile声明的变量，它的同步特性，简单来讲就是对该变量的单个读/写是同步的。这是什么意思呢？我还是以共享变量i为例，不过在i的前面加上了volatile修饰符。
    private volatile int i =
0;
    public int get()
{
        return i;
    }
    public void set(int i)
{
        this.i =
i;
    }

    为了与传统的getXXX和setXXX方法区别开来，我将方法名改成了上面这样。对于get和set方法，如果有多个线程同时访问，volatile是可以保证i的原子性的，再简单点讲，对于变量i，get和set方法是同步的。这是通过什么来保证的呢？是通过Java语言规范:如果一个字段被声明为volatile，Java内存模型确保所有线程看到这个变量的值是一致的。
    看到这里，可能有的童鞋会想，既然volatile可以保证内存可见性，那不就解决了浅谈Java共享变量这篇文章里面讲到的共享变量的并发问题吗？只要在i的前面加上volatile就可以解决同步问题了，你确定？实践是最好的办法，动手试下，看看结果如何。
    事实证明这个办法行不通，为什么呢？原因出在i++上面，增量操作符++不是原子的。这个操作分解开来看是先从堆内存中获得i值的副本放到缓存中，然后对副本值加1，最后再将副本值写回到堆内存的变量i中。从这个过程我们可以看到，从堆内存中获得i(get方法)以及将值写回到i(set方法)这两步都是同步的，但中间的就不能保证是同步的了。
    对于volatile修饰的变量，只保证了他的可见性，但不保证原子性。最常用的应该是boolean类型，它用来作为状态标志，因为它只有true和false两个值，不会有非原子性的操作。当然不是说只能用在布尔类型变量上面，其它的基本类型和对象类型都可以用。但一定需要小心谨慎的处理，以免掉进并发陷阱而不知。比如volatile变量就不适合用于不变性条件这种情况，以上下限为例，lower必须小于upper，这就是一种不变性条件，你可以理解为这是一种规则限制。它们都只有set与get方法，但在set方法里面加入了约束条件，这时，volatile的可见性就不能保证并发时，lower与upper之间的不变性条件(lower<upper)一定成立了。

    /*
     * volatile只保证lower与upper的最后写入一定会被其它读取的线程看到
     * 但不能保证在lower或upper写入时，另一个变量的值没有发生变化
     */
    private volatile int lower;
    private volatile int upper;

    public int getLower()
{
        return lower;
    }

    public int getUpper()
{
        return upper;
    }

    public void setLower(int lower)
{
        if (lower
> upper)
         
  throw new IllegalArgumentException();
        this.lower =
lower;
    }

    public void setUpper(int upper)
{
        if (upper
< lower)
         
  throw new IllegalArgumentException();
        this.upper =
upper;
    }

    如果lower和upper的初始值为0和10，同一时刻，线程1调用setLower(8)，线程2调用setUpper(2)，执行上完全没问题，但是现在的lower和upper的值就变为了8和2这种无效的数据了，所以volatile只能确保可见性，不能确保原子性。
    所以在使用volatile变量时，请考虑是否满足下面这样的要求：
        1、对变量的写入操作不依赖变量的当前值(i++这种操作就不行)
        2、没有用于其它变量的不变式条件中(lower<upper)
    到这里，我们已经明白了：用volatile修饰的变量只具备可见性，那么它是怎么保证可见性的呢？
    现在大家用的电脑CPU基本上都是多核的，至少两核，缓存也有很多级(L1、L2、L3)。代码在JVM里面执行的时候，JVM如果发现有CPU在处理volatile变量的写入操作，就会告诉该CPU将当前缓存中的数据写回到堆内存中，但这时其它CPU的缓存值还是旧的，再执行操作就会有问题，所以在处理器的内部实现了缓存一致性协议，当有缓存中的数据写回内存时会引起其它CPU里这个volatile变量的缓存值无效，如果这时候其它CPU要想使用就必须到堆内存中重新读取该值，这样就实现了volatile变量的可见性。我这样讲方便大家理解，实际的情况比这复杂的多。