好的，各位观众，欢迎来到今天的“并发宇宙漫游”特别节目！我是你们的导游——并发侠，今天我们要深入探索Java并发世界中的一颗闪耀明星：volatile关键字。🚀
准备好了吗？系好安全带，让我们一起揭开volatile的神秘面纱，看看它如何守护我们的多线程程序，让它们免受数据不一致的困扰。😎
第一站：并发世界的“内存迷宫”
在开始我们的旅程之前，我们需要先了解一下并发编程的背景。想象一下，你的程序就像一个繁忙的城市，多个线程就像城市里的车辆，都在争抢着访问共享资源，比如十字路口的红绿灯🚥（共享变量）。
如果没有交通规则（同步机制），车辆就会乱作一团，轻则剐蹭（数据不一致），重则车毁人亡（程序崩溃）。而Java并发编程就是要制定这些交通规则，确保车辆（线程）安全有序地访问共享资源。
但问题是，现代CPU为了提高效率，引入了高速缓存（Cache）。每个CPU核心都有自己的Cache，线程在运行时会从主内存中读取数据到自己的Cache中，进行修改后再写回主内存。
这就造成了一个问题：当多个线程同时访问同一个共享变量时，每个线程都可能在自己的Cache中保存了该变量的副本。如果一个线程修改了Cache中的副本，其他线程可能无法立即看到这个修改，导致数据不一致。
你可以把主内存想象成一个公共黑板，每个线程都有一块自己的小黑板（Cache）。线程在自己的小黑板上修改数据后，如果不同步到公共黑板上，其他线程就无法看到最新的数据。
第二站：volatile的“内存可见性”魔法
这时候，我们的主角volatile就要登场了！🥁volatile关键字就像一个“通知器”，它可以确保一个线程对volatile变量的修改，对其他线程立即可见。
当一个变量被声明为volatile时，Java虚拟机（JVM）会做两件事：
- 立即写入主内存： 当线程修改了
volatile变量的值后，JVM会强制将修改后的值立即写回主内存，而不是仅仅保存在线程的Cache中。 - 立即从主内存读取： 当线程要读取
volatile变量的值时，JVM会强制线程从主内存中读取最新的值，而不是从线程的Cache中读取。
这样一来，每个线程都能看到volatile变量的最新值，避免了数据不一致的问题。你可以把volatile想象成一个“实时同步器”，它确保所有线程都能够实时地看到共享变量的最新状态。
举个例子，假设我们有一个volatile的flag变量，用于控制一个循环的执行：
public class VolatileExample {
private volatile boolean flag = true;
public void stop() {
this.flag = false;
}
public void run() {
while (flag) {
// 执行一些操作
System.out.println("Running...");
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
System.out.println("Stopped!");
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
VolatileExample example = new VolatileExample();
Thread thread = new Thread(example::run);
thread.start();
Thread.sleep(1000);
example.stop(); // 修改flag的值
}
}在这个例子中，flag变量被声明为volatile。当main线程调用example.stop()方法时，flag的值被修改为false，并且立即写入主内存。run方法中的循环会立即检测到flag的值的变化，从而停止执行。
如果没有volatile关键字，run方法可能一直在自己的Cache中读取flag的值，而看不到main线程对flag的修改，导致循环无法停止。
第三站：volatile的“指令重排”防御术
除了内存可见性，volatile还有一个重要的作用：禁止指令重排。
什么是指令重排呢？🤔 现代编译器和CPU为了提高执行效率，会对指令进行重排序。在单线程环境下，指令重排可以提高程序的执行效率，但不会影响程序的正确性。
但在多线程环境下，指令重排可能会导致意想不到的问题。考虑以下代码：
public class ReorderingExample {
private int a = 0;
private volatile boolean ready = false;
public void writer() {
a = 1; // 1
ready = true; // 2
}
public void reader() {
if (ready) { // 3
int dummy = a; // 4
System.out.println("a = " + dummy);
}
}
}在writer方法中，我们先将a赋值为1，然后将ready赋值为true。在reader方法中，我们先判断ready是否为true，如果是，则读取a的值。
如果没有volatile关键字，编译器或CPU可能会对指令进行重排，将第2行代码提前到第1行代码之前执行。这样一来，reader线程可能会在a被赋值之前就读取ready的值，导致读取到错误的a的值（默认为0）。
volatile关键字可以禁止指令重排，确保writer方法中的指令按照顺序执行。也就是说，a的值一定会在ready的值被修改之前被赋值。这样一来，reader线程就能读取到正确的a的值。
你可以把volatile想象成一个“顺序锁”，它确保指令按照代码的顺序执行，避免了指令重排带来的问题。
第四站：volatile的局限性与适用场景
volatile虽然强大，但它并非万能的。它只能保证单个volatile变量的原子性，而不能保证复合操作的原子性。
例如，i++操作实际上包含了三个步骤：
- 读取
i的值。 - 将
i的值加1。 - 将结果写回
i。
即使i被声明为volatile，也无法保证这三个步骤的原子性。在多线程环境下，可能会出现多个线程同时读取i的值，然后进行加1操作，导致最终的结果不正确。
因此，volatile只适用于以下场景：
- 状态标记： 一个线程修改一个
volatile变量，其他线程读取该变量，用于判断某个状态是否发生改变。例如，上面的flag变量的例子。 - 一次性安全发布： 一个线程将一个对象的所有字段都初始化完成后，将一个
volatile变量设置为指向该对象，其他线程可以通过读取该volatile变量来安全地访问该对象。
对于更复杂的并发场景，我们需要使用更强大的同步机制，比如synchronized关键字、Lock接口等。
第五站：volatile与synchronized的对比
volatile和synchronized都是Java中用于解决并发问题的关键字，但它们的作用和适用场景有所不同。
| 特性 | volatile |
synchronized |
|---|---|---|
| 作用 | 保证内存可见性和禁止指令重排 | 保证内存可见性、原子性和互斥性 |
| 原子性 | 只能保证单个变量的原子性 | 可以保证代码块的原子性 |
| 互斥性 | 不提供互斥性 | 提供互斥性，同一时刻只能有一个线程执行同步代码块 |
| 开销 | 开销较小 | 开销较大 |
| 适用场景 | 简单状态标记、一次性安全发布 | 复杂的并发场景，需要保证原子性和互斥性 |
简单来说，volatile是轻量级的同步机制，适用于简单的并发场景；synchronized是重量级的同步机制，适用于复杂的并发场景。
总结：volatile，并发世界的守护者
通过今天的“并发宇宙漫游”，我们深入了解了volatile关键字的特性和作用。它就像并发世界的守护者，默默地守护着我们的多线程程序，确保数据的一致性和程序的正确性。
记住，volatile并非万能的，它只能解决部分并发问题。在实际开发中，我们需要根据具体的场景选择合适的同步机制，才能编写出高效、可靠的多线程程序。
希望今天的分享对你有所帮助！下次再见！👋