處理器、程序、執行緒、並行、併發、記憶體模型的相關概念、併發程式設計中的三個概念、Java記憶體模型、剖析volatile關鍵字、用volatile關鍵字的場景

阿新 • • 發佈：2019-01-06

處理器：即中央處理器（CPU，Central Processing Unit），它是一塊超大規模的積體電路，是一臺計算機的運算核心（Core）和控制核心（ Control Unit）。它的功能主要是解釋計算機指令以及處理計算機軟體中的資料。

程序：程序（Process）是計算機中的程式關於某資料集合上的一次執行活動，是作業系統進行資源分配和排程的基本單位，是作業系統結構的基礎。在早期面向程序設計的計算機結構中，程序是程式的基本執行實體；在當代面向執行緒設計的計算機結構中，程序是執行緒的容器。程式是指令、資料及其組織形式的描述，程序是程式的實體。

執行緒：執行緒，有時被稱為輕量級程序(Lightweight Process，LWP），是程式執行流的最小單元。執行緒是程序中的一個實體，是被CPU排程和分配的基本單位（cpu的一個核心只能同時執行一個執行緒。）

，執行緒自己不擁有系統資源，只擁有一點兒在執行中必不可少的資源，但它可與同屬一個程序的其它執行緒共享程序所擁有的全部資源。

並行（parallellism）（真正的同時）和併發（concurrency）（一堆任務指向一個單核cpu）是：

解釋一：並行是指兩個或者多個事件在同一時刻發生；而併發是指兩個或多個事件在同一時間間隔發生。
解釋二：並行是在不同實體上的多個事件，併發是在同一實體上的多個事件。實體可以理解為單核CPU。
解釋三：並行是在多臺處理器上同時處理多個任務如hadoop分散式叢集，併發是在一臺處理器上“同時”處理多個任務。
所以併發程式設計的目標是充分的利用處理器的每一個核

，以達到最高的處理效能（榨乾CPU）。
《併發的藝術》中大概是這樣寫的，系統中有多個任務同時存在可稱之為“併發”，系統內有多個任務同時執行可稱之為“並行”；併發是並行的子集。比如在單核CPU系統上，只可能存在併發而不可能存在並行。

我們不妨來提出幾個問題：

多核處理器和多處理器是一個意思嗎，執行效率一樣嗎？
答案是否定的。多核處理器是指一個CPU有多個核心處理器，處理器之間通過CPU內部匯流排進行通訊。而多處理器是指簡單的多個CPU工作在同一個系統上，多個CPU之間的通訊是通過主機板上的匯流排進行的。因此，多核CPU要比多個CPU在一起的工作效率更高（單核效能一致的情況下）。
單核CPU也能執行多個程序嗎，能併發執行嗎？
單核CPU也能執行多個程序，這點大家都知道。但是並不是真正意義上的同時執行（併發執行）。雖然在單核CPU的電腦也能開啟多個程序，但這些程序並不能同時被開啟和執行，而是以輪換的機制執行的（是有時間順序的），而CPU處理某個單一的操作速度是極快的，並且極快的在程序中切換，從而讓人感覺是同時運行了多個程序、同時處理多個操作。這麼做的原因之一是防止前一個任務耗時太長，導致後面簡單的任務等待太久，而且電腦中有許多系統程序必須同時處於開啟狀態，所以CPU也必須採取這種辦法來處理。理論上講，真正意義上的同時執行的程序數不能超過CPU核心數。
單核CPU也能執行多個執行緒嗎，能併發執行嗎？
同上理，單核CPU執行多個執行緒是可行的。因為執行緒是程序中的一個實體，一個程序可以開啟多個執行緒，所以即使只開啟單個程序也能開啟多個執行緒在單核CPU上執行。但是同上理，單核CPU並不能真正意義上的實現執行緒併發。
現在我們知道了，生活或工作中時常提到的所謂執行緒併發並非真正意義上的併發執行，這取決於CPU。那麼多執行緒實現並行處理還有必要嗎？
答案是肯定的。多執行緒可以實現並行處理，避免了某項任務長時間佔用CPU時間。
對於單核單處理器（CPU）來說，為了執行所有這些執行緒，作業系統為每個獨立執行緒安排一些CPU時間，作業系統以輪換方式向執行緒提供時間片，這就給人一種假象，好象這些執行緒都在同時執行。既然多執行緒實現併發確實能夠提升效能，那是否使用多執行緒併發是必須的呢？
答案是否定的，如果兩個非常活躍的執行緒執行很簡單的操作，為了搶奪對CPU的控制權，線上程切換時會消耗很多的CPU資源，反而會降低系統的效能。

最開始，一個執行緒只是用於分配單個處理器的一個核處理時間的一種工具。但假如作業系統本身支援多個處理器，那麼每個執行緒都可分配給一個不同的處理器，真正進入“並行運算”狀態。從程式設計語言的角度看，多執行緒操作最有價值的特性之一就是程式設計師不必關心到底使用了多少個處理器，程式設計師只需將程式編寫成多執行緒模式即可。程式在邏輯意義上被分割為數個執行緒；假如機器本身安裝了多個處理器，那麼程式會執行得更快，毋需作出任何特殊的調校。

使用多執行緒也會和多程序一樣，會存在資源共享問題。如果有多個執行緒同時執行，而且它們試圖訪問相同的資源（共享的資源），這時就會出現問題。而一種可行的辦法就是在使用期間必須進入鎖定狀態。所以一個執行緒可將資源鎖定（例如，程式設計中的執行緒鎖），在完成了它的任務後，再解開（釋放）這個鎖，使其他執行緒可以接著使用同樣的資源。

多執行緒是為了同步完成多個執行緒的任務，是利用提高資源使用效率來提高系統的效率。

處理器結構對併發程式的影響：
對稱多處理器是最主要的多核處理器架構。在這種架構中所有的CPU核心共享一條系統匯流排（BUS）來連線主存。而每一個核又有自己的一級快取，相對於BUS對稱分佈，如下圖：

在這裡插入圖片描述

這種架構在併發程式設計中，大致會引來兩個問題，一個是記憶體可見性，一個是Cache一致性流量。記憶體可見性屬於併發安全的問題，Cache一致性流量引起的是效能上的問題。

記憶體可見性：記憶體可見性在單處理器或單執行緒情況下是不會發生的。在一個單執行緒環境中，一個變數先寫入值，然後在沒有干涉的情況下讀取這個變數，得到的值應該是修改過的值。但是在讀和寫不在同一個執行緒中的時候，情況卻是不可以預料的。Core1和Core2可能會同時把主存中某個位置的值Load到自己的一級快取中，而Core1修改了自己一級快取中的值後，卻不更新主存中的值，這樣對於Core2來講，永遠看不到Core1對值的修改。在Java程式設計中，用鎖，關鍵字volatile，CAS原子操作可以保證記憶體可見。

Cache一致性問題：指的是在SMP結構中，Core1和Core2同時下載了主存中的值到自己的一級快取中，Core1修改了值後，會通過匯流排讓Core2中的值失效，Core2發現自己存的值失效後，會再通過匯流排從主存中得到新值。匯流排的通訊能力是固定的，通過匯流排使各CPU的一級快取值資料同步的流量過大，那麼匯流排就會成瓶頸。這種影響屬於效能上的影響，減小同步競爭就能減少一致性流量。

另外，通常說的四核八執行緒，實際上是模擬八核。相當於在每個邏輯處理器上可以開兩個執行緒。它的效能在一般情況下比四核四執行緒快不少，有時也能接近八核的效能。但如果真正遇到高併發（CPU使用率很高甚至100%）的時候，效能是沒法和八核比的。因為四核八執行緒並不能真正意義上的實現八執行緒的併發（由上面的論述便可知）。

Java併發程式設計：volatile關鍵字解析

volatile這個關鍵字可能很多朋友都聽說過，或許也都用過。在Java 5之前，它是一個備受爭議的關鍵字，因為在程式中使用它往往會導致出人意料的結果。在Java 5之後，volatile關鍵字才得以重獲生機。

volatile關鍵字雖然從字面上理解起來比較簡單，但是要用好不是一件容易的事情。由於volatile關鍵字是與Java的記憶體模型有關的，因此在講述volatile關鍵之前，我們先來了解一下與記憶體模型相關的概念和知識，然後分析了volatile關鍵字的實現原理，最後給出了幾個使用volatile關鍵字的場景。

一.記憶體模型的相關概念

大家都知道，計算機在執行程式時，每條指令都是在CPU中執行的，而執行指令過程中，勢必涉及到資料的讀取和寫入。由於程式執行過程中的臨時資料是存放在主存（實體記憶體）當中的，這時就存在一個問題，由於CPU執行速度很快，而從記憶體讀取資料和向記憶體寫入資料的過程跟CPU執行指令的速度比起來要慢的多，因此如果任何時候對資料的操作都要通過和記憶體的互動來進行，會大大降低指令執行的速度。因此在CPU裡面就有了快取記憶體。

也就是，當程式在執行過程中，會將運算需要的資料從主存複製一份到CPU的快取記憶體當中，那麼CPU進行計算時就可以直接從它的快取記憶體讀取資料和向其中寫入資料，當運算結束之後，再將快取記憶體中的資料重新整理到主存當中。舉個簡單的例子，比如下面的這段程式碼：

i = i + 1;

當執行緒執行這個語句時，會先從主存當中讀取i的值，然後複製一份到快取記憶體當中，然後CPU執行指令對i進行加1操作，然後將資料寫入快取記憶體，最後將快取記憶體中i最新的值重新整理到主存當中。

這個程式碼在單執行緒中執行是沒有任何問題的，但是在多執行緒中執行就會有問題了。在多核CPU中，每條執行緒可能運行於不同的CPU中，因此每個執行緒執行時有自己的快取記憶體（對單核CPU來說，其實也會出現這種問題，只不過是以執行緒排程的形式來分別執行的）。本文我們以多核CPU為例。

比如同時有2個執行緒執行這段程式碼，假如初始時i的值為0，那麼我們希望兩個執行緒執行完之後i的值變為2。但是事實會是這樣嗎？

可能存在下面一種情況：初始時，兩個執行緒分別讀取i的值存入各自所在的CPU的快取記憶體當中，然後執行緒1進行加1操作，然後把i的最新值1寫入到記憶體。此時執行緒2的快取記憶體當中i的值還是0，進行加1操作之後，i的值為1，然後執行緒2把i的值寫入記憶體。

最終結果i的值是1，而不是2。這就是著名的快取一致性問題。通常稱這種被多個執行緒訪問的變數為共享變數。

也就是說，如果一個變數在多個CPU中都存在快取（一般在多執行緒程式設計時才會出現），那麼就可能存在快取不一致的問題。

為了解決快取不一致性問題，通常來說有以下2種解決方法：

1）通過在匯流排加LOCK#鎖的方式

2）通過快取一致性協議

這2種方式都是硬體層面上提供的方式。

在早期的CPU當中，是通過在總線上加LOCK#鎖的形式來解決快取不一致的問題。因為CPU和其他部件進行通訊都是通過匯流排來進行的，如果對匯流排加LOCK#鎖的話，也就是說阻塞了其他CPU對其他部件訪問（如記憶體），從而使得只能有一個CPU能使用這個變數的記憶體。比如上面例子中如果一個執行緒在執行 i = i +1，如果在執行這段程式碼的過程中，在總線上發出了LCOK#鎖的訊號，那麼只有等待這段程式碼完全執行完畢之後，其他CPU才能從變數i所在的記憶體讀取變數，然後進行相應的操作。這樣就解決了快取不一致的問題。

但是上面的方式會有一個問題，由於在鎖住匯流排期間，其他CPU無法訪問記憶體，導致效率低下。

所以就出現了快取一致性協議。最出名的就是Intel 的MESI協議，MESI協議保證了每個快取中使用的共享變數的副本是一致的。它核心的思想是：當CPU寫資料時，如果發現操作的變數是共享變數，即在其他CPU中也存在該變數的副本，會發出訊號通知其他CPU將該變數的快取行置為無效狀態，因此當其他CPU需要讀取這個變數時，發現自己快取中快取該變數的快取行是無效的，那麼它就會從記憶體重新讀取。
在這裡插入圖片描述

二.併發程式設計中的三個概念

在併發程式設計中，我們通常會遇到以下三個問題：原子性問題，可見性問題，有序性問題。我們先看具體看一下這三個概念：

1.原子性

原子性：即一個操作或者多個操作要麼全部執行並且執行的過程不會被任何因素打斷，要麼就都不執行。

一個很經典的例子就是銀行賬戶轉賬問題：

比如從賬戶A向賬戶B轉1000元，那麼必然包括2個操作：從賬戶A減去1000元，往賬戶B加上1000元。

試想一下，如果這2個操作不具備原子性，會造成什麼樣的後果。假如從賬戶A減去1000元之後，操作突然中止。然後又從B取出了500元，取出500元之後，再執行往賬戶B加上1000元的操作。這樣就會導致賬戶A雖然減去了1000元，但是賬戶B沒有收到這個轉過來的1000元。

所以這2個操作必須要具備原子性才能保證不出現一些意外的問題。

同樣地反映到併發程式設計中會出現什麼結果呢？

舉個最簡單的例子，大家想一下假如為一個32位的變數賦值過程不具備原子性的話，會發生什麼後果？

i = 9;

假若一個執行緒執行到這個語句時，我暫且假設為一個32位的變數賦值包括兩個過程：為低16位賦值，為高16位賦值。

那麼就可能發生一種情況：當將低16位數值寫入之後，突然被中斷，而此時又有一個執行緒去讀取i的值，那麼讀取到的就是錯誤的資料。

2.可見性

可見性是指當多個執行緒訪問同一個變數時，一個執行緒修改了這個變數的值，其他執行緒能夠立即看得到修改的值。

舉個簡單的例子，看下面這段程式碼：

//執行緒1執行的程式碼
int i = 0;
i = 10;
 
//執行緒2執行的程式碼
j = i;

假若執行執行緒1的是CPU1，執行執行緒2的是CPU2。由上面的分析可知，當執行緒1執行 i =10這句時，會先把i的初始值載入到CPU1的快取記憶體中，然後賦值為10，那麼在CPU1的快取記憶體當中i的值變為10了，卻沒有立即寫入到主存當中。

此時執行緒2執行 j = i，它會先去主存讀取i的值並載入到CPU2的快取當中，注意此時記憶體當中i的值還是0，那麼就會使得j的值為0，而不是10.

這就是可見性問題，執行緒1對變數i修改了之後，執行緒2沒有立即看到執行緒1修改的值。

3.有序性

有序性：即程式執行的順序按照程式碼的先後順序執行。舉個簡單的例子，看下面這段程式碼：

int i = 0;              
boolean flag = false;
i = 1;                //語句1  
flag = true;          //語句2

上面程式碼定義了一個int型變數，定義了一個boolean型別變數，然後分別對兩個變數進行賦值操作。從程式碼順序上看，語句1是在語句2前面的，那麼JVM在真正執行這段程式碼的時候會保證語句1一定會在語句2前面執行嗎？不一定，為什麼呢？這裡可能會發生指令重排序（Instruction Reorder）。

下面解釋一下什麼是指令重排序，一般來說，處理器為了提高程式執行效率，可能會對輸入程式碼進行優化，它不保證程式中各個語句的執行先後順序同程式碼中的順序一致，但是它會保證程式最終執行結果和程式碼順序執行的結果是一致的。

比如上面的程式碼中，語句1和語句2誰先執行對最終的程式結果並沒有影響，那麼就有可能在執行過程中，語句2先執行而語句1後執行。

但是要注意，雖然處理器會對指令進行重排序，但是它會保證程式最終結果會和程式碼順序執行結果相同，那麼它靠什麼保證的呢？再看下面一個例子：

int a = 10;    //語句1
int r = 2;    //語句2
a = a + 3;    //語句3
r = a*a;     //語句4

這段程式碼有4個語句，那麼可能的一個執行順序是：

在這裡插入圖片描述

那麼可不可能是這個執行順序呢：語句2 語句1 語句4 語句3

不可能，因為處理器在進行重排序時是會考慮指令之間的資料依賴性，如果一個指令Instruction 2必須用到Instruction 1的結果，那麼處理器會保證Instruction 1會在Instruction 2之前執行。

雖然重排序不會影響單個執行緒內程式執行的結果，但是多執行緒呢？下面看一個例子：

//執行緒1:
context = loadContext();   //語句1
inited = true;             //語句2
 
//執行緒2:
while(!inited ){
  sleep()
}
doSomethingwithconfig(context);

上面程式碼中，由於語句1和語句2沒有資料依賴性，因此可能會被重排序。假如發生了重排序，線上程1執行過程中先執行語句2，而此是執行緒2會以為初始化工作已經完成，那麼就會跳出while迴圈，去執行doSomethingwithconfig(context)方法，而此時context並沒有被初始化，就會導致程式出錯。

從上面可以看出，指令重排序不會影響單個執行緒的執行，但是會影響到執行緒併發執行的正確性。

也就是說，要想併發程式正確地執行，必須要保證原子性、可見性以及有序性。只要有一個沒有被保證，就有可能會導致程式執行不正確。

三.Java記憶體模型

在前面談到了一些關於記憶體模型以及併發程式設計中可能會出現的一些問題。下面我們來看一下Java記憶體模型，研究一下Java記憶體模型為我們提供了哪些保證以及在java中提供了哪些方法和機制來讓我們在進行多執行緒程式設計時能夠保證程式執行的正確性。

在Java虛擬機器規範中試圖定義一種Java記憶體模型（Java Memory Model，JMM）來遮蔽各個硬體平臺和作業系統的記憶體訪問差異，以實現讓Java程式在各種平臺下都能達到一致的記憶體訪問效果。那麼Java記憶體模型規定了哪些東西呢，它定義了程式中變數的訪問規則，往大一點說是定義了程式執行的次序。注意，為了獲得較好的執行效能，Java記憶體模型並沒有限制執行引擎使用處理器的暫存器或者快取記憶體來提升指令執行速度，也沒有限制編譯器對指令進行重排序。也就是說，在java記憶體模型中，也會存在快取一致性問題和指令重排序的問題。

Java記憶體模型規定所有的變數都是存在主存當中（類似於前面說的實體記憶體），每個執行緒都有自己的工作記憶體（類似於前面的快取記憶體）。執行緒對變數的所有操作都必須在工作記憶體中進行，而不能直接對主存進行操作。並且每個執行緒不能訪問其他執行緒的工作記憶體。

舉個簡單的例子：在java中，執行下面這個語句：

i  = 10;

執行執行緒必須先在自己的工作執行緒中對變數i所在的快取行進行賦值操作，然後再寫入主存當中。而不是直接將數值10寫入主存當中。

那麼Java語言本身對原子性、可見性以及有序性提供了哪些保證呢？

1.原子性

在Java中，對基本資料型別的變數的讀取和賦值操作是原子性操作，即這些操作是不可被中斷的，要麼執行，要麼不執行。

上面一句話雖然看起來簡單，但是理解起來並不是那麼容易。看下面一個例子i：

請分析以下哪些操作是原子性操作：

x = 10;         //語句1
y = x;         //語句2
x++;           //語句3
x = x + 1;     //語句4

咋一看，有些朋友可能會說上面的4個語句中的操作都是原子性操作。其實只有語句1是原子性操作，其他三個語句都不是原子性操作。

語句1是直接將數值10賦值給x，也就是說執行緒執行這個語句的會直接將數值10寫入到工作記憶體中。

語句2實際上包含2個操作，它先要去讀取x的值，再將x的值寫入工作記憶體，雖然讀取x的值以及將x的值寫入工作記憶體這2個操作都是原子性操作，但是合起來就不是原子性操作了。

同樣的，x++和 x = x+1包括3個操作：讀取x的值，進行加1操作，寫入新的值。

所以上面4個語句只有語句1的操作具備原子性。

也就是說，只有簡單的讀取、賦值（而且必須是將數字賦值給某個變數，變數之間的相互賦值不是原子操作）才是原子操作。

不過這裡有一點需要注意：在32位平臺下，對64位資料的讀取和賦值是需要通過兩個操作來完成的，不能保證其原子性。但是好像在最新的JDK中，JVM已經保證對64位資料的讀取和賦值也是原子性操作了。

從上面可以看出，Java記憶體模型只保證了基本讀取和賦值是原子性操作，如果要實現更大範圍操作的原子性，可以通過synchronized和Lock來實現。由於synchronized和Lock能夠保證任一時刻只有一個執行緒執行該程式碼塊，那麼自然就不存在原子性問題了，從而保證了原子性。

2.可見性

對於可見性，Java提供了volatile關鍵字來保證可見性。

當一個共享變數被volatile修飾時，它會保證修改的值會立即被更新到主存，當有其他執行緒需要讀取時，它會去記憶體中讀取新值。

而普通的共享變數不能保證可見性，因為普通共享變數被修改之後，什麼時候被寫入主存是不確定的，當其他執行緒去讀取時，此時記憶體中可能還是原來的舊值，因此無法保證可見性。

另外，通過synchronized和Lock也能夠保證可見性，synchronized和Lock能保證同一時刻只有一個執行緒獲取鎖然後執行同步程式碼，並且在釋放鎖之前會將對變數的修改重新整理到主存當中。因此可以保證可見性。

3.有序性

在Java記憶體模型中，允許編譯器和處理器對指令進行重排序，但是重排序過程不會影響到單執行緒程式的執行，卻會影響到多執行緒併發執行的正確性。

在Java裡面，可以通過volatile關鍵字來保證一定的“有序性”（具體原理在下一節講述）。另外可以通過synchronized和Lock來保證有序性，很顯然，synchronized和Lock保證每個時刻是有一個執行緒執行同步程式碼，相當於是讓執行緒順序執行同步程式碼，自然就保證了有序性。

另外，Java記憶體模型具備一些先天的“有序性”，即不需要通過任何手段就能夠得到保證的有序性，這個通常也稱為 happens-before 原則。如果兩個操作的執行次序無法從happens-before原則推匯出來，那麼它們就不能保證它們的有序性，虛擬機器可以隨意地對它們進行重排序。

下面就來具體介紹下happens-before原則（先行發生原則）：

程式次序規則：一個執行緒內，按照程式碼順序，書寫在前面的操作先行發生於書寫在後面的操作
鎖定規則：一個unLock操作先行發生於後面對同一個鎖額lock操作
volatile變數規則：對一個變數的寫操作先行發生於後面對這個變數的讀操作
傳遞規則：如果操作A先行發生於操作B，而操作B又先行發生於操作C，則可以得出操作A先行發生於操作C
執行緒啟動規則：Thread物件的start()方法先行發生於此執行緒的每個一個動作
執行緒中斷規則：對執行緒interrupt()方法的呼叫先行發生於被中斷執行緒的程式碼檢測到中斷事件的發生
執行緒終結規則：執行緒中所有的操作都先行發生於執行緒的終止檢測，我們可以通過Thread.join()方法結束、Thread.isAlive()的返回值手段檢測到執行緒已經終止執行
物件終結規則：一個物件的初始化完成先行發生於他的finalize()方法的開始
　　這8條原則摘自《深入理解Java虛擬機器》。

這8條規則中，前4條規則是比較重要的，後4條規則都是顯而易見的。

下面我們來解釋一下前4條規則：

對於程式次序規則來說，我的理解就是一段程式程式碼的執行在單個執行緒中看起來是有序的。注意，雖然這條規則中提到“書寫在前面的操作先行發生於書寫在後面的操作”，這個應該是程式看起來執行的順序是按照程式碼順序執行的，因為虛擬機器可能會對程式程式碼進行指令重排序。雖然進行重排序，但是最終執行的結果是與程式順序執行的結果一致的，它只會對不存在資料依賴性的指令進行重排序。因此，在單個執行緒中，程式執行看起來是有序執行的，這一點要注意理解。事實上，這個規則是用來保證程式在單執行緒中執行結果的正確性，但無法保證程式在多執行緒中執行的正確性。

第二條規則也比較容易理解，也就是說無論在單執行緒中還是多執行緒中，同一個鎖如果出於被鎖定的狀態，那麼必須先對鎖進行了釋放操作，後面才能繼續進行lock操作。

第三條規則是一條比較重要的規則，也是後文將要重點講述的內容。直觀地解釋就是，如果一個執行緒先去寫一個變數，然後一個執行緒去進行讀取，那麼寫入操作肯定會先行發生於讀操作。

第四條規則實際上就是體現happens-before原則具備傳遞性。

四.深入剖析volatile關鍵字

在前面講述了很多東西，其實都是為講述volatile關鍵字作鋪墊，那麼接下來我們就進入主題。

1.volatile關鍵字的兩層語義

一旦一個共享變數（類的成員變數、類的靜態成員變數）被volatile修飾之後，那麼就具備了兩層語義：

1）保證了不同執行緒對這個變數進行操作時的可見性，即一個執行緒修改了某個變數的值，這新值對其他執行緒來說是立即可見的。

2）禁止進行指令重排序。

先看一段程式碼，假如執行緒1先執行，執行緒2後執行：

//執行緒1
boolean stop = false;
while(!stop){
    doSomething();
}
 
//執行緒2
stop = true;

這段程式碼是很典型的一段程式碼，很多人在中斷執行緒時可能都會採用這種標記辦法。但是事實上，這段程式碼會完全執行正確麼？即一定會將執行緒中斷麼？不一定，也許在大多數時候，這個程式碼能夠把執行緒中斷，但是也有可能會導致無法中斷執行緒（雖然這個可能性很小，但是隻要一旦發生這種情況就會造成死迴圈了）。

下面解釋一下這段程式碼為何有可能導致無法中斷執行緒。在前面已經解釋過，每個執行緒在執行過程中都有自己的工作記憶體，那麼執行緒1在執行的時候，會將stop變數的值拷貝一份放在自己的工作記憶體當中。

那麼當執行緒2更改了stop變數的值之後，但是還沒來得及寫入主存當中，執行緒2轉去做其他事情了，那麼執行緒1由於不知道執行緒2對stop變數的更改，因此還會一直迴圈下去。

但是用volatile修飾之後就變得不一樣了：

第一：使用volatile關鍵字會強制將修改的值立即寫入主存；

第二：使用volatile關鍵字的話，當執行緒2進行修改時，會導致執行緒1的工作記憶體中快取變數stop的快取行無效（反映到硬體層的話，就是CPU的L1或者L2快取中對應的快取行無效）；

第三：由於執行緒1的工作記憶體中快取變數stop的快取行無效，所以執行緒1再次讀取變數stop的值時會去主存讀取。

那麼線上程2修改stop值時（當然這裡包括2個操作，修改執行緒2工作記憶體中的值，然後將修改後的值寫入記憶體），會使得執行緒1的工作記憶體中快取變數stop的快取行無效，然後執行緒1讀取時，發現自己的快取行無效，它會等待快取行對應的主存地址被更新之後，然後去對應的主存讀取最新的值。

那麼執行緒1讀取到的就是最新的正確的值。

2.volatile保證原子性嗎？

從上面知道volatile關鍵字保證了操作的可見性，但是volatile能保證對變數的操作是原子性嗎？

下面看一個例子：

public class Test {
    public volatile int inc = 0;
     
    public void increase() {
        inc++;
    }
     
    public static void main(String[] args) {
        final Test test = new Test();
        for(int i=0;i<10;i++){
            new Thread(){
                public void run() {
                    for(int j=0;j<1000;j++)
                        test.increase();
                };
            }.start();
        }
         
        while(Thread.activeCount()>1)  //保證前面的執行緒都執行完，下面是這個語法的詳細註解
            Thread.yield();
        System.out.println(test.inc);
    }
}




以下為註解
//如果還有子執行緒在執行，主執行緒就讓出cpu資源
//知道所有的c子執行緒都執行完了，主執行緒再繼續往下執行
//講道理是1就行，但是有的得用2
while(Thread.activeCount()>1)  //保證前面的執行緒都執行完
            Thread.yield();

寫多執行緒的時候，想要等main中其他執行緒都執行完成後（其他執行緒功能為對一個數字inc+1），輸出最終的inc值。

於是寫了個迴圈：

while (Thread.activeCount() > 1) {
       System.out.println(Thread.activeCount());
            Thread.yield();
        }
System.out.println(test.inc);
結果進入了死迴圈

於是，main中只寫已下程式碼：

System.out.println(Thread.activeCount()); // 結果為2
原因如下：

// 獲取java執行緒的管理MXBean
        ThreadMXBean tmxb = ManagementFactory.getThreadMXBean();
        // 不需要獲取同步的Monitor和synchronizer資訊，僅獲取執行緒和執行緒堆疊資訊
        ThreadInfo[] threadInfos = tmxb.dumpAllThreads(false, false);
        // 遍歷執行緒資訊，打印出ID和名稱
        for (ThreadInfo info : threadInfos) {
            System.out.println("[" + info.getThreadId() + "] " + info.getThreadName());
        }
        

[6] Monitor Ctrl-Break
[5] Attach Listener
[4] Signal Dispatcher
[3] Finalizer
[2] Reference Handler
[1] main



System.out.println(Thread.activeCount());
Thread.currentThread().getThreadGroup().list();

2
java.lang.ThreadGroup[name=main,maxpri=10]
    Thread[main,5,main]
    Thread[Monitor Ctrl-Break,5,main]

可以發現當前執行緒組包含：main和Monitor Ctrl-Break

大家想一下這段程式的輸出結果是多少？也許有些朋友認為是10000。但是事實上執行它會發現每次執行結果都不一致，都是一個小於10000的數字。

可能有的朋友就會有疑問，不對啊，上面是對變數inc進行自增操作，由於volatile保證了可見性，那麼在每個執行緒中對inc自增完之後，在其他執行緒中都能看到修改後的值啊，所以有10個執行緒分別進行了1000次操作，那麼最終inc的值應該是1000*10=10000。

這裡面就有一個誤區了，volatile關鍵字能保證可見性沒有錯，但是上面的程式錯在沒能保證原子性。可見性只能保證每次讀取的是最新的值，但是volatile沒辦法保證對變數的操作的原子性。

在前面已經提到過，自增操作是不具備原子性的，它包括讀取變數的原始值、進行加1操作、寫入工作記憶體。那麼就是說自增操作的三個子操作可能會分割開執行，就有可能導致下面這種情況出現：

假如某個時刻變數inc的值為10，

執行緒1對變數進行自增操作，執行緒1先讀取了變數inc的原始值，然後執行緒1被阻塞了；

然後執行緒2對變數進行自增操作，執行緒2也去讀取變數inc的原始值，由於執行緒1只是對變數inc進行讀取操作，而沒有對變數進行修改操作，所以不會導致執行緒2的工作記憶體中快取變數inc的快取行無效，所以執行緒2會直接去主存讀取inc的值，發現inc的值時10，然後進行加1操作，並把11寫入工作記憶體，最後寫入主存。

然後執行緒1接著進行加1操作，由於已經讀取了inc的值，注意此時線上程1的工作記憶體中inc的值仍然為10，所以執行緒1對inc進行加1操作後inc的值為11，然後將11寫入工作記憶體，最後寫入主存。

那麼兩個執行緒分別進行了一次自增操作後，inc只增加了1。

解釋到這裡，可能有朋友會有疑問，不對啊，前面不是保證一個變數在修改volatile變數時，會讓快取行無效嗎？然後其他執行緒去讀就會讀到新的值，對，這個沒錯。這個就是上面的happens-before規則中的volatile變數規則，但是要注意，執行緒1對變數進行讀取操作之後，被阻塞了的話，並沒有對inc值進行修改。然後雖然volatile能保證執行緒2對變數inc的值讀取是從記憶體中讀取的，但是執行緒1沒有進行修改，所以執行緒2根本就不會看到修改的值。

根源就在這裡，自增操作不是原子性操作，而且volatile也無法保證對變數的任何操作都是原子性的。

把上面的程式碼改成以下任何一種都可以達到效果：

採用synchronized：

    public class Test {
    public  int inc = 0;
    
    public synchronized void increase() {
        inc++;
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        final Test test = new Test();
        for(int i=0;i<10;i++){
            new Thread(){
                public void run() {
                    for(int j=0;j<1000;j++)
                        test.increase();
                };
            }.start();
        }
        
        while(Thread.activeCount()>1)  //保證前面的執行緒都執行完
            Thread.yield();
        System.out.println(test.inc);
    }
}

採用Lock：

  public class Test {
    public  int inc = 0;
    Lock lock = new ReentrantLock();
    
    public  void increase() {
        lock.lock();
        try {
            inc++;
        } finally{
            lock.unlock();
        }
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        final Test test = new Test();
        for(int i=0;i<10;i++){
            new Thread(){
                public void run() {
                    for(int j=0;j<1000;j++)
                        test.increase();
                };
            }.start();
        }
        
        while(Thread.activeCount()>1)  //保證前面的執行緒都執行完
            Thread.yield();
        System.out.println(test.inc);
    }
}

採用AtomicInteger：

   public class Test {
    public  AtomicInteger inc = new AtomicInteger();
     
    public  void increase() {
        inc.getAndIncrement();
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        final Test test = new Test();
        for(int i=0;i<10;i++){
            new Thread(){
                public void run() {
                    for(int j=0;j<1000;j++)
                        test.increase();
                };
            }.start();
        }
        
        while(Thread.activeCount()>1)  //保證前面的執行緒都執行完
            Thread.yield();
        System.out.println(test.inc);
    }
}

在java 1.5的java.util.concurrent.atomic包下提供了一些原子操作類，即對基本資料型別的自增（加1操作），自減（減1操作）、以及加法操作（加一個數），減法操作（減一個數）進行了封裝，保證這些操作是原子性操作。atomic是利用CAS來實現原子性操作的（Compare And Swap），CAS實際上是利用處理器提供的CMPXCHG指令實現的，而處理器執行CMPXCHG指令是一個原子性操作。

3.volatile能保證有序性嗎？

在前面提到volatile關鍵字能禁止指令重排序，所以volatile能在一定程度上保證有序性。

volatile關鍵字禁止指令重排序有兩層意思：

1）當程式執行到volatile變數的讀操作或者寫操作時，在其前面的操作的更改肯定全部已經進行，且結果已經對後面的操作可見；在其後面的操作肯定還沒有進行；

2）在進行指令優化時，不能將在對volatile變數訪問的語句放在其後面執行，也不能把volatile變數後面的語句放到其前面執行。

可能上面說的比較繞，舉個簡單的例子：

//x、y為非volatile變數
//flag為volatile變數
 
x = 2;        //語句1
y = 0;        //語句2
flag = true;  //語句3
x = 4;         //語句4
y = -1;       //語句5

由於flag變數為volatile變數，那麼在進行指令重排序的過程的時候，不會將語句3放到語句1、語句2前面，也不會講語句3放到語句4、語句5後面。但是要注意語句1和語句2的順序、語句4和語句5的順序是不作任何保證的。

並且volatile關鍵字能保證，執行到語句3時，語句1和語句2必定是執行完畢了的，且語句1和語句2的執行結果對語句3、語句4、語句5是可見的。

那麼我們回到前面舉的一個例子：

//執行緒1:
context = loadContext();   //語句1
inited = true;             //語句2
 
//執行緒2:
while(!inited ){
  sleep()
}
doSomethingwithconfig(context);

前面舉這個例子的時候，提到有可能語句2會在語句1之前執行，那麼久可能導致context還沒被初始化，而執行緒2中就使用未初始化的context去進行操作，導致程式出錯。

這裡如果用volatile關鍵字對inited變數進行修飾，就不會出現這種問題了，因為當執行到語句2時，必定能保證context已經初始化完畢。

4.volatile的原理和實現機制

前面講述了源於volatile關鍵字的一些使用，下面我們來探討一下volatile到底如何保證可見性和禁止指令重排序的。

下面這段話摘自《深入理解Java虛擬機器》：

“觀察加入volatile關鍵字和沒有加入volatile關鍵字時所生成的彙編程式碼發現，加入volatile關鍵字時，會多出一個lock字首指令”

lock字首指令實際上相當於一個記憶體屏障（也成記憶體柵欄），記憶體屏障會提供3個功能：

1）它確保指令重排序時不會把其後面的指令排到記憶體屏障之前的位置，也不會把前面的指令排到記憶體屏障的後面；即在執行到記憶體屏障這句指令時，在它前面的操作已經全部完成；

2）它會強制將對快取的修改操作立即寫入主存；

3）如果是寫操作，它會導致其他CPU中對應的快取行無效。

五.使用volatile關鍵字的場景

synchronized關鍵字是防止多個執行緒同時執行一段程式碼，那麼就會很影響程式執行效率，而volatile關鍵字在某些情況下效能要優於synchronized，但是要注意volatile關鍵字是無法替代synchronized關鍵字的，因為volatile關鍵字無法保證操作的原子性。通常來說，使用volatile必須具備以下2個條件：

1）對變數的寫操作不依賴於當前值

2）該變數沒有包含在具有其他變數的不變式中

實際上，這些條件表明，可以被寫入 volatile 變數的這些有效值獨立於任何程式的狀態，包括變數的當前狀態。

事實上，我的理解就是上面的2個條件需要保證操作是原子性操作，才能保證使用volatile關鍵字的程式在併發時能夠正確執行。

下面列舉幾個Java中使用volatile的幾個場景。

1.狀態標記量

volatile boolean flag = false;
 
while(!flag){
    doSomething();
}
 
public void setFlag() {
    flag = true;
}



volatile boolean inited = false;
//執行緒1:
context = loadContext();  
inited = true;            
 
//執行緒2:
while(!inited ){
sleep()
}
doSomethingwithconfig(context);

2.double check

class Singleton{
    private volatile static Singleton instance = null;
     
    private Singleton() {
         
    }
     
    public static Singleton getInstance() {
        if(instance==null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if(instance==null)
                    instance = new Singleton();
            }
        }
        return instance;
    }
}

至於為何需要這麼寫請參考（隨著jdk的升級，現在好像已經不需要這麼寫了）：

《Java 中的雙重檢查（Double-Check）》http://blog.csdn.net/dl88250/article/details/5439024

和http://www.iteye.com/topic/652440

參考資料：
　
　　地址：http://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3920373.html

《Java程式設計思想》

《深入理解Java虛擬機器》

http://jiangzhengjun.iteye.com/blog/652532

http://blog.sina.com.cn/s/blog_7bee8dd50101fu8n.html

http://ifeve.com/volatile/

http://blog.csdn.net/ccit0519/article/details/11241403

http://blog.csdn.net/ns_code/article/details/17101369

http://www.cnblogs.com/kevinwu/archive/2012/05/02/2479464.html