Java 中 volatile 关键字

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并发编程中，有三个非常重要的概念：

• 原子性：提供了一种互斥访问，同一时刻只能有一个线程对它进行操作

• 可见性：一个线程对主内存对修改可以及时的被其他线程观察到

• 有序性：一个线程观察其他线程的指令行执行顺序，由于指令重新排序的存在，该观察结果一般杂乱无序

而 volatile 关键字能够保证以下两点：

1. 可见性（Visibility）：

当一个线程修改了一个volatile变量的值时，这个新值会立即被写入到主内存中，而不会先缓存在线程的本地内存中。同时，当其他线程读取这个volatile变量时，它们会直接从主内存中读取最新的值，而不会使用本地缓存中的旧值。这样就确保了多个线程之间对共享变量的操作是可见的。

2. 禁止指令重排序（Prevents Instruction Reordering）：

volatile关键字会禁止指令重排序优化，即在代码中volatile变量之前的操作不会被重排序到volatile变量之后，也不会被重排序到volatile变量之后的操作之前。这样可以确保指令的顺序按照程序的顺序执行，避免了可能会影响多线程程序正确性的指令重排序。

需要注意的是，虽然volatile关键字能够保证可见性和禁止指令重排序，但它并不能保证原子性，即不保证多线程操作的原子性。

另外，volatile 和 CAS（Compare and Swap，比较并交换）通常结合在一起使用，主要用于多线程编程中实现原子操作，特别是在并发环境下确保数据的一致性和可见性。

关于 CAS，java.util.concurrent.atomic包提供了一系列原子操作的类，其中就包括了基于 CAS 的实现。最常见的就是java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger、java.util.concurrent.atomic.AtomicLong等，它们提供了诸如compareAndSet()等方法，用于在不使用锁的情况下进行原子性的操作。CAS 的使用可以提高并发性能，因为它避免了使用锁带来的线程阻塞和上下文切换。

使用 volatile 和 CAS 来实现一个线程安全的计数器：

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class VolatileCASExample {
    private volatile int counter = 0;

    public int getCounter() {
        return counter;
    }

    public void increment() {
        int currentValue;
        int newValue;
        do {
            currentValue = counter; // 获取当前值
            newValue = currentValue + 1; // 计算新值
        } while (!compareAndSwap(currentValue, newValue)); // CAS 操作，如果失败则重试
    }

    private synchronized boolean compareAndSwap(int expect, int update) {
        if (counter == expect) { // 检查当前值是否与期望值相等
            counter = update; // 如果相等，则更新为新值
            return true;
        }
        return false;
    }

    public static void main(String[] args) {
        final VolatileCASExample example = new VolatileCASExample();
        final AtomicInteger total = new AtomicInteger(0);

        // 创建多个线程并发增加计数器值
        Runnable task = () -> {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                example.increment();
                total.incrementAndGet();
            }
        };

        // 启动多个线程
        Thread[] threads = new Thread[10];
        for (int i = 0; i < threads.length; i++) {
            threads[i] = new Thread(task);
            threads[i].start();
        }

        // 等待所有线程完成
        for (Thread thread : threads) {
            try {
                thread.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        // 输出计数器的最终值
        System.out.println("Final counter value: " + example.getCounter());
        System.out.println("Total increments: " + total.get());
    }
}

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