深入理解 volatile 关键字 - 陈树义

volatile 关键字是 Java 语言的高级特性，但要弄清楚其工作原理，需要先弄懂 Java 内存模型。如果你之前没了解过 Java 内存模型，那可以先看看之前我写过的一篇「深入理解 Java 内存模型」一文。

初学 volatile 关键字，我们需要弄清楚它到底意味着什么。总的来说，它有两个含义，分别是：

• 保证可见性
• 禁止指令重排序

保证可见性

保证可见性指的是：当一个线程修改了某个变量时，其他所有线程都知道该变量被修改了。 由于 volatile 可以保证可见性，因此 Java 能够保证现在在读取 volatile 变量时，线程读取到的值是准确的。但是这并不意味着对 volatile 变量的操作是线程安全的，因为有可能在读取到变量之后，又有其他线程对变量进行修改了。

为了说明这个问题，我们可以举个简单地例子。下面代码发起了 20 个线程，每个线程对 race 变量进行 1 万次自增操作。如果这段代码能够正确并发执行，那么最后输出的结果应该是 20 万。但实际上，每次输出的结果都不一样，都是一个小于 20 万的数字，为什么呢？

这是因为当线程在获取到 race 变量的值，然后对其进行自增这中间，有可能其他线程对 race 变量做了自增操作，然后写回了主内存。而当前线程再将数据写回主内存时，就发生了数据覆盖。因此，就发生了数据不一致的问题。

要使得 volatile 变量不发生并发安全问题，只需要遵守如下两条规则即可：

1. 运算结果并不依赖变量的当前值，或者能够确保只有单一的线程修改变量的值。
2. 变量不需要与其他的状态变量共同参与不变约束。

第一条规则比较好理解，例如上面例子的 race 变量，其运算结果就依赖于变量的当前值，所以其并不符合第一条规则，因此就会有线程安全问题。但如果 race++ 变成了 race=1; 这样的情况，那么 race 的值就不依赖变量当前值，因此就不会有线程安全问题。

第二条规则有点晦涩难懂。其意思是说，变量不能和其他变量一起参与判断，无论其他变量是否是 volatile 类型的变量。例如 if（a && b） 这个判断就无法满足 volatile 的第二条规则，会发生线程安全问题，即使这两个变量都是 volatile 类型的变量。

关于第二条规则的描述，为啥与其他变量一起，就没法保证线程安全呢？

要解答这个问题，我们不妨假设一下各种可能的场景。

我们假设变量 a b 的初始值都是 true，并且两者都是 volatile 类型变量。

场景一：线程 A 执行 if（a && b） 判断，先判断变量 a，发现是 true，于是继续判断变量 b。发现变量 b 也是 true，于是整个表达式为 true。

场景二：线程 A 执行 if（a && b） 判断，先判断变量 a，发现是 true。此时线程 B 修改了变量 b 的值为 false。接着线程 A 继续判断变量 b 的值，发现变量 b 的值为 false。于是整体表达式的值为 false。

通过上面的例子，我们发现同样的表达式在不同的并发场景下会有不同的结果，这很明显就是线程不安全的。因为线程安全的代码，在单线程和多线程下，其结果应该是一样的。

禁止指令重排序

指令重排序，指的是硬件层面为了加快执行速度，可能会调整指令的执行顺序，从而会出现并不按代码顺序的执行情况出现。例如下面的代码里，我们初始化了 flag 变量为 false，然后再将 flag 变量置为 true。但这样的代码在并发执行的时候，有可能先将 flag 职位 true，再将 flag 变为 false，从而发生线程安全问题。

boolean flag = false;
flag = true;

我们说 volatile 变量禁止指令重排序，其实就是指被 volatile 修饰的变量，其执行顺序不能被重排序。 禁止重排序的实现，是使用了一个叫「内存屏障」的东西。简单地说，内存屏障的作用就是指令重排序时，不能把后面的指令重排序到内存屏障之前的位置。

可见性的来源

我们前面说过：volatile 修饰的变量，当其被修改之后，其他变量就能立即获取到其变化。但这个可见性的来源是哪里呢？为什么其能够实现这样的可见性呢？其实 volatile 的这些功能来源于 Java 内存模型中对 volatile 变量定义的特殊规则。

假定 T 表示一个线程，V 和 W 分别表示两个 volatile 型变量。在 Java 内存模型中规定在进行 read、load、use、assign、store 和 write 操作时需要满足如下规则：

1. 只有当线程 T 对变量 V 执行的前一个动作是 load 的时候，线程 T 才能对变量 V 执行 use 动作。并且，只有当线程 T 对变量 V 执行的后一个动作是 use 的时候，线程 T 才能对变量 V 执行 load 动作。
2. 只有当线程 T 对变量 V 执行的前一个动作是 assign 的时候，线程 T 才能对变量 V 执行 store 动作；并且，只有当线程 T 对变量V执行的后一个动作是 store 的时候，线程 T 才能对变量 V 执行 assign 动作。
3. 假定动作 A 是线程 T 对变量 V 实施的 use 或 assign 动作，假定动作 F 是和动作 A 相关联的 load 或 store 动作，假定动作 P 是和动作 F 相应的对变量 V 的 read 或 write 动作。类似的，假定动作 B 是线程 T 对变量 W 实施的 use 或 assign 动作，假定动作 G 是和动作 B 相关联的 load 或 store 动作，假定动作 Q 是和动作 G 相应的对变量 W 的 read 或 write 动作。如果 A 先于 B，那么 P 先于 Q。

上面三条规则有点复杂，我们来一条条讲解下。

首先，我们来看看第一条规则。

只有当线程 T 对变量 V 执行的前一个动作是 load 的时候，线程 T 才能对变量 V 执行 use 动作。

load 动作，指的是把从主内存得到的变量值，放入到工作内存的变量副本。use 动作，指的是将工作内存的一个变量值，传递给执行引擎。那么这句话合起来的意思可以理解为：要使用变量 V 之前，必须去主内存读取变量 V。

并且，只有当线程 T 对变量 V 执行的后一个动作是 use 的时候，线程 T 才能对变量 V 执行 load 动作。

这句的意思可以理解为：要去读取主内存的变量值放入工作内存的变量副本，那就必须使用它。

总的来说，这条规则的意思是：线程对变量 V 的 use 动作，必须与 read、load 动作连在一起，即 read -> load -> use 必须一起出现。这条规则要求在工作内存中，每次使用 V 前都必须先从主内存刷新最新的值，用于保证能看见其他线程对变量V所做的修改后的值。

我们继续看第二条规则。

只有当线程 T 对变量 V 执行的前一个动作是 assign 的时候，线程 T 才能对变量 V 执行 store 动作。

assign 动作，指的是将执行引擎的值赋值给工作内存的变量。store 动作，指的是将工作内存的一个变量传送到主内存，方便后续写回主内存。那么这句话合起来的意思可以理解为：要讲工作内存的变量写回主内存，那么必须是工作内存的变量收到执行引擎的赋值。

并且，只有当线程 T 对变量 V 执行的后一个动作是 store 的时候，线程 T 才能对变量 V 执行 assign 动作。

这句话的意思可以理解为：要将执行引擎接收到的值赋给工作内存的变量，就必须把工作内存变量的值写回主内存。

总的来说，这条规则的意思是：线程对变量 V 的 assign 动作，必须与 store、write 连在一起，即：assign -> store -> write 必须一起出现。这条规则要求在工作内存中，每次修改 V 后都必须立刻同步回主内存中，用于保证其他线程可以看到自己对变量 V 所做的修改。

我们继续看第三条规则。

假定动作 A 是线程 T 对变量 V 实施的 use 或 assign 动作，假定动作 F 是和动作 A 相关联的 load 或 store 动作，假定动作 P 是和动作 F 相应的对变量 V 的 read 或 write 动作。

这句话意思比较简单，use 和 assign 动作分别是从工作内存传递变量给执行引擎，以及从执行引擎传递变量给工作内存。load 和 store 动作分别是从主内存载入数据到工作内存，以及从工作内存写数据到主内存。read 和 write 动作分别是将数据读取到工作内存，以及将数据写回主内存。

我们假设是一个写入到主内存动作，如果这几个组合起来，那么就是：A -> F -> P（assign -> store -> write）。

类似的，假定动作 B 是线程 T 对变量 W 实施的 use 或 assign 动作，假定动作 G 是和动作 B 相关联的 load 或 store 动作，假定动作 Q 是和动作 G 相应的对变量 W 的 read 或 write 动作。

与上面类似，如果是一个写入到主内存动作，如果这几个组合起来，那么就是：B -> G -> Q（assign -> store -> write）。

如果 A 先于 B，那么 P 先于 Q。

这个的意思是，如果 A 动作早于 B 动作发生，那么 A 动作对应的 P 动作（write 动作）就要早于 Q 动作(write 动作）。

这条规则要求 volatile 修饰的变量不会被指令重排序优化，保证代码的执行顺序与程序的顺序相同。

所以说 volatile 变量的可见性以及禁止重排序的语义，其实都来源于 Java 内存模型里对于 volatile 变量的定义。

这篇文章，我们介绍了 volatile 的两个语义：

1. 禁止重排序

可见性指的是 volatile 类型的变量，其变量值一旦被修改，其他线程就能够立刻感知到。而禁止重排序指的是被 volatile 修饰的变量，其执行顺序不能被重排序。我们在日常使用中，如果要使 volatile 变量不发生线程安全问题，只需要遵守下面两个规则即可。

1. 运算结果并不依赖变量的当前值，或者能够确保只有单一的线程修改变量的值。
2. 变量不需要与其他的状态变量共同参与不变约束。

最后，我们进一步探究了 volatile 可见性以及禁止重排序的来源，其实就是 Java 内存模型里对于 volatile 变量的定义。

• 《深入理解 Java 虚拟机》
• 如何理解 “变量不需要与其他的状态变量共同参与不变约束” 一话？ - 知乎