java中多线程之volatile详解
什么是volatile
volatile是JVM提供的轻量级同步机制
好，开始讲大家看不懂的东西了！
volatile有三大特性：
- 保证可见性
- 不保证原子性
- 有序性
傻了吧，这他妈都是些什么jb东西啊？别着急，我们一个一个来。
在学习volatile之前，我们先了解一下JMM。什么又是JMM？我只知道JVM。这他妈是啥东西啊？
JMM：java内存模型。jmm是一种抽象的概念，并不真实存在，它描述的是一种规范，通过这种规范定义了程序中的各个变量的访问形式。（仔细读，还是能读懂的）
JMM关于同步的规定（仔细读）：
1.线程解锁前，必须把共享变量的值刷新回主内存
2.线程加锁钱，必须读取主内存的最新值到自己的工作内存
3.加锁解锁是同一把锁
知道看不懂，开始白话文解释！
JVM我们的java虚拟机运行程序的时候，是以线程为最小刻度的。而每个线程创建的时候，jvm就会为这个线程创建一个工作内存，该工作内存是私有的，只能被当前线程所访问。
而JMM内存模型中规定：所有的变量都储存在主内存中，所有线程都能访问，但线程对变量的任何操作（读取赋值等）都必须在工作内存中进行，首先要将主内存中的变量拷贝到自己的工作内存中，然后才能对变量进行操作，操作完成后再讲变量写会主内存中。
这里我们发现了一个问题：
先试想这样一个场景：现在有一个商品只剩下最后一个，如果两个线程同时进来抢，拿到了一个变量:int a = 1;（商品的数量） 这时候这个int a = 1；会拷贝出两份，分别存在于线程1的工作内存和线程2的工作内存。 我们知道，不同线程间是无法访问对方的工作内存的。
这个时候线程1 跑得快一点抢到了最后一个商品，把int a 的值-1了，然后通知快递部门上门来取货，把这最后一个商品拿走发货，然后把最新的a的值返回给主内存。现在主内存int a 的值等于0。
但对于线程2来说，它现在只看自己的工作内存，不看主内存，对于线程2来说，int a 的值现在还是1。所以它就觉得它也抢到了商品，其实这时主内存中的int a已经是0了，已经没有商品了。这时线程2把自己工作内存的int a 的值-1，然后通知快递部门来取货，快递来了发现你他妈的商品都卖完了我来取个啥？
上面就出现了超卖的情况，其根本原因就是：多个线程之间不能知道对方的对共享变量的执行情况，大家都是盯着自己的东西在做事。就像两个施工队在山的两边一起往中间打隧道，互相不知道对方的情况，最后两个隧道在山的中间完美错过。
好！那么有没有一个办法，只要有一个线程修改了主内存的变量的值以后，其他的线程能马上知道并获取到最新的值呢？
volatile的可见性
先看看没有使用volatile关键字的情况：
1.编写一个类，模拟售卖商品的过程，商品数量我们初始化为 Int a = 1;
class Shop{
int a = 1;
public void saleOne(){
this.a = a-1;
}
}
2.测试类
public static void main(String[] args) {
Shop shop = new Shop();
new Thread(()->{
System.out.println("线程A初始化");
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
shop.saleOne();
System.out.println("线程A购买商品完成，剩余商品量："+shop.a);
},"线程A").start();
while (shop.a == 1){
}
System.out.println("主线程，剩余商品量："+shop.a);
}
这里有两个线程，线程A和主线程。 程序启动的时候：
- 线程A和主线程分别把shop 对象拷贝一份到自己的工作内存，对于这两个线程来说，shop 对象里的int a 属性的值都是1；
- 启动线程A
- 线程A等待3秒，再此3秒期间，主线程已经运行到while (shop.a == 1)这行代码，因为判断为true所以一直阻塞。
- 3秒过后，线程A调用方法，把自己工作内存中的int a 减 1，并把最新的int a = 0发送到主内存。
- 但我们发现，主线程还是一直处于阻塞的状态，对于主线程来说，它不知道int a 的值已经变为0，对主线程来说现在int a 的值还是自己工作内存中的1，所以 while (shop.a == 1)的判断永远为True。不会执行最后一行代码System.out.println(“主线程，剩余商品量：”+shop.a);
我们加上volatile关键字
class Shop{
volatile int a = 1;
public void saleOne(){
this.a =a-1;
}
}
测试代码不变
结果：
- 线程A和主线程分别把shop 对象拷贝一份到自己的工作内存，对于这两个线程来说，shop 对象里的int a 属性的值都是1；
- 启动线程A
- 线程A等待3秒，再此3秒期间，主线程已经运行到while (shop.a == 1)这行代码，因为判断为true所以一直阻塞。
- 3秒过后，线程A调用方法，把自己工作内存中的int a 减 1，并把最新的int a = 0发送到主内存。
- 由于volatile的可见性，此时对于主内存来说 int a的值已经由1变为了0， while (shop.a == 1)判断为False。程序就继续往下走，打印出了最新的int a的值：0。这时候商品数量为0之后，我们就不会再出现超卖的情况了
volatile的原子性（不保证）
原子性什么意思呢？
也就是完整性，比如一个线程在做一件事的时候，期间不能被加塞或分割，需要整体完整，要么同时成功要么同时失败。
大白话翻译：同一个方法，在一个线程没有执行完之前，其他线程必须给我等着。等我执行完了再放第二个线程进来。以免线程1的操作被线程2给覆盖了。比如synchronized,就保证了原子性。
给我们的Shop类创建一个增加商品库存的方法（每调一次addGoods方法，Int a就+1）：
class Shop{
volatile int a = 1;
public void addGoods(){
a++;
}
public void saleOne(){
this.a =a-1;
}
}
此时int a商品数量是加了volatile 修饰的，保证了不同线程之间的可见性！
测试：
public static void main(String[] args) {
Shop shop = new Shop();
for(int i = 0; i < 20;i++){
new Thread(()->{
shop.addGoods();
}).start();
}
//保证所有20个线程都跑完，只剩下2个线程（主线程和GC线程）的时候代码才继续往下走
//其中 Thread.yield() 方法表示主线程不执行，让给其他线程执行
while (Thread.activeCount() >2){
Thread.yield();
}
System.out.println("如果保证了原子性，应该的结果是本来的1+20 = 21，但实际的值："+shop.a);
}
- 开20个线程去执行addGoods（）方法
- 最后主线程把int a 的数值打印出来
结果让我们大失所望，每次执行程序得到的结果都不一样
这里我们知道，volatile不能保证程序的原子性。那为什么呢？
首先明确一点 a++操作不是原子性，它有三步：
- 获取主内存的当前值到自己的工作内存
- 进行+1操作
- 把最新值写回到主内存
尚且a++都不是原子操作，那我们平时的业务代码是不是更长，花的时间也更多？被其他线程覆盖的机会是不是也更大？
好，现在我们来看看上面的20个线程的例子怎么来分析！
- 加入现在有l两个线程几乎同时进入到addGoods（）方法里面。
- 对于A，B两个线程而言，现在int a 的值都拷贝到各自的工作内存中，值都=1。
- 现在线程A开始执行a++操作，底层获取到当前值，然后+1，得到值为2，准备把最新值写入到主内存
- 这个时候由于多线程的机制，线程A在写入主内存之前被挂起了！
- 线程B开始执行了，成功的把int a 从加到2，写入主内存，现在主内存的值是2
- 线程A现在又被唤起，完成第3步没有完成的操作，把线程A自己工作内存中的2写入到主内存。
- 但现在主内存本来就是2，线程A由于在执行底层的++操作，没有机会去读取到最新的值。
以上！就是整个代码运行流程，解释了volatile为什么不能保证原子性。我知道很多同学还是没看懂，别急，文章最后会有更直观的例子（单例模式中的线程安全问题），一看就明白了
现在我们想一想，怎么解决volatile这个缺点呢？怎么实现原子性？
- 1，在addGoods方法加同步锁synchronized
- 2， AtomicInteger原子类
我们讲第二种：
修改我们的Shop类
class Shop{
AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(1);
public void addGoodsByAtomic(){
atomicInteger.getAndIncrement();
}
- 初始化原子类值为1
- 创建新方法，方法体让原子类自增1，整个过程是原子性的。
测试：
public static void main(String[] args) {
Shop shop = new Shop();
for(int i = 0; i < 20;i++){
new Thread(()->{
shop.addGoodsByAtomic();
}).start();
}
while (Thread.activeCount() >2){
Thread.yield();
}
System.out.println("如果保证了原子性，应该的结果是本来的1+20 = 21，但实际的值："+shop.atomicInteger);
}
结果正确：
为什么原子类保证了原子性？这个设计到CAS锁。看我关于CAS的博客就懂了哈！
volatile的有序性（禁止指令重排）（了解）
这是什么鸡巴东西？
我们写的java代码，为了提高性能，在编译器和处理器中往往会进行指令重排，例如我写的某一行代码在23行，当经过编译过后这行代码在150行。
多线程环境中，由于编译器重排的原因，两个线程中使用的变量能否保证一致性是无法确定的，结果无法预测。
简单来说volatile避免了指令重排，也就避免了多线程中可能产生的问题。
volatile的运用场景（重点）
单例模式：
public class type3 {
private static type3 type;
private type3(){}
private static type3 getInstance(){
if(type == null){
type = new type3();
}
return type;
}
}
上面是一个线程不安全的单例模式，我们可以加上一个synchronized :
public class type4 {
private static type4 type;
private type4(){}
private static synchronized type4 getInstance(){
if(type == null){
type = new type4();
}
return type;
}
}
但synchronized把整个方法都锁了，在高并发的情况下，太重了。并发性下降了，吞吐量下降了。
所以出现了效率最高，也安全的单例模式写法：双重检查！
public class type5 {
private static type5 type;
private type5(){}
private static type5 getInstance(){
if(type == null){
synchronized(type5.class){
if(type == null){
type = new type5();
}
}
}
return type;
}
}
大家觉得上面的代码有没有什么问题？
我来梳理一下。
- 现在有A B两个线程同时进来，都通过了第一次检查。现在到达了synchronized同步锁外面
- A线程运气好，被先放进去了，再次检查发现type确实为null，好，放行
- A线程new了一个实例出来，这是把这个最新的实例返回给主内存，主内存的对象变量从Null变为有值
- A线程完成，B线程被放synchronized开始进行B线程的第二次检查
- 但由于type5 变量没有volatile修饰，所以线程B不能马上获取到最新的值，它不知道现在对象已经被new出来了，在线程B自己的工作内存了对象依然为null。
- B线程通过第二次检查，又new了一个对象出来。单例的目标没有达成，上面的代码失败。
所以我们要给变量加上volatile关键字：
private static volatile type5 type;
好了 基本已经讲完，欢迎大家评论区指出不足，一起学习进步！
大家看完了点个赞，码字不容易啊。。。