volatile关键字

一、是什么？

volatile是Java中的关键字，用于修饰变量。它通过以下机制确保多线程环境下的数据安全：

1. 可见性：当一个线程修改volatile变量时，其他线程能立即看到最新值。
2. 禁止指令重排序：防止编译器和CPU优化时打乱指令顺序（通过内存屏障实现）。

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二、解决什么问题

1. 内存可见性问题
   默认情况下，线程操作变量时可能从本地缓存（如CPU寄存器）读取旧值，导致其他线程的修改不可见。
   示例问题：线程A修改共享变量flag，线程B因缓存未更新而读取旧值。
   volatile强制所有读写直接操作主内存，保证可见性。

2. 指令重排序问题
   编译器/CPU可能调整无关指令的执行顺序以提高性能，但在多线程下可能导致逻辑错误。
   示例问题：单例模式中，未初始化完的对象被其他线程使用（双重检查锁定失效）。

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三、应用场景

1. 状态标志位
   简单布尔标志（如停止线程的isRunning），无需原子性操作。

   volatile boolean isRunning = true;
   
   void stop() { isRunning = false; } // 线程A调用
   void task() { while (isRunning) { ... } } // 线程B读取

2. 单例模式（双重检查锁定）
   确保对象初始化完成后再被访问（JDK 5+生效）。

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

3. 独立观察的变量
   变量被多个线程读取，但仅由单个线程写入（如配置更新）。

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四、Java示例

可见性演示

public class VolatileDemo {
    volatile int counter = 0; // 移除volatile会导致死循环

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        VolatileDemo demo = new VolatileDemo();
        
        new Thread(() -> {
            while (demo.counter == 0) {} // 循环检测
            System.out.println("Counter changed!");
        }).start();

        Thread.sleep(1000);
        demo.counter = 1; // 主线程修改
    }
}

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五、与synchronized的区别

特性	volatile	synchronized
作用范围	仅修饰变量	修饰方法/代码块
原子性	❌ 不保证（如i++）	✅ 保证
可见性	✅ 保证	✅ 保证
有序性	✅ 禁止重排序	✅ 保证
线程阻塞	❌ 不阻塞	✅ 阻塞（重量级锁）
性能开销	低	较高

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六、重要注意事项

1. 不保证原子性
   volatile无法解决复合操作（如count++）的线程安全问题。需改用AtomicInteger或synchronized。
   错误示例：

   volatile int count = 0;
   count++; // 非原子操作（读取+修改+写入）

2. 适用场景有限
   仅适用于满足以下条件的场景：

   • 变量独立于其他状态（不依赖旧值）。
   • 写操作不依赖当前值（如直接赋值flag=true）。

3. JDK 5+的内存模型改进
   volatile的语义在JDK 5中通过JSR-133被强化（增强有序性保证），旧版本行为可能不一致。

4. 替代方案

   • 需要原子性 → 使用java.util.concurrent.atomic包（如AtomicInteger）。
   • 复杂同步 → 使用ReentrantLock或synchronized。

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七、总结

volatile是轻量级的线程同步工具，核心解决可见性和有序性问题，但不保证原子性。适用于状态标志、单例模式等简单场景。在JDK 5+中，其语义通过内存屏障严格实现，但需谨慎评估是否满足原子性需求。对于复杂操作，优先考虑原子类或显式锁机制。