Java volatile关键字

在面试中，经常会被问到volatile关键字的作用和原理，故而整理出本篇文章进行说明。

（提示：阅读本文需要具备内存操作相关知识，可以看这里）

volatile是Java保留的一个关键字，可以用于修饰变量，有以下两个语义：

1. 保证此变量对所有线程的可见性

Java内存模型保证了对于volatile修饰的变量，load和use操作必须连续出现，assign和store操作必须连续出现。这样保证了工作内存每次使用变量时都从主内存刷新最新变量值，每次修改变量后都向主内存写入最新变量值。

但是，需要注意的是，即使如此，volatile也无法保持一致性，因为use操作将变量传递给执行引擎之后的运算不能保证原子性，即使是基础数据类型，也只有访问读写操作具有原子性，数据运算的过程无法保证。所以，虽然从各个线程读写的角度来看数据一致，但实际操作中会存在覆盖运算结果的情况。

2. 禁止指令重排序优化

Java字节码解释为机器指令后，只能保证结果一致，并不能生成的汇编代码机器指令的顺序也和Java代码中一致。在单一线程中，指令重排序不会造成什么问题，但在并发环境下，不做任何操作则无法保证代码按照原有的期望去执行。

volatile关键字修饰的变量会在assign操作对应的指令之后加上一句“lock addl $0x0,(%esp)”（注意这里的lock和内存操作lock无关），语义为对ESP寄存器加0，即一个空操作。这一指令会要求将线程所使用的缓存写入内存，可以理解为将工作内存中的变量写入主内存，即store和write操作。

因为指令重排序要保证结果一致，所以对于这类写回操作不会重排，即“无法越过内存屏障”。

这一规则保证了对于两个volatile变量A和B，若A的use或assign操作先于B，则A的read或write操作也先于B。

应用场景

结合以上所述的两条语义，使用volatile修饰变量可以用于以下场景：

1. 运算结果并不依赖变量当前值（即只依赖于原子性的写操作），或者确保只有单一线程可以修改变量的值；

2. 变量不需要其他状态变量共同参与不变约束。

参考文献：

《深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳时间》，第2版，周志明