【死磕Java并发】-----深刻分析volatile的实现原理

经过前面一章咱们了解了synchronized是一个重量级的锁，虽然JVM对它作了不少优化，而下面介绍的volatile则是轻量级的synchronized。若是一个变量使用volatile，则它比使用synchronized的成本更加低，由于它不会引发线程上下文的切换和调度。Java语言规范对volatile的定义以下：

Java编程语言容许线程访问共享变量，为了确保共享变量能被准确和一致地更新，线程应该确保经过排他锁单独得到这个变量。

上面比较绕口，通俗点讲就是说一个变量若是用volatile修饰了，则Java能够确保全部线程看到这个变量的值是一致的，若是某个线程对volatile修饰的共享变量进行更新，那么其余线程能够立马看到这个更新，这就是所谓的线程可见性。

volatile虽然看起来比较简单，使用起来无非就是在一个变量前面加上volatile便可，可是要用好并不容易（LZ认可我至今仍然使用很差，在使用时仍然是模棱两可）。

内存模型相关概念

理解volatile其实仍是有点儿难度的，它与Java的内存模型有关，因此在理解volatile以前咱们须要先了解有关Java内存模型的概念，这里只作初步的介绍，后续LZ会详细介绍Java内存模型。

操做系统语义

计算机在运行程序时，每条指令都是在CPU中执行的，在执行过程当中势必会涉及到数据的读写。咱们知道程序运行的数据是存储在主存中，这时就会有一个问题，读写主存中的数据没有CPU中执行指令的速度快，若是任何的交互都须要与主存打交道则会大大影响效率，因此就有了CPU高速缓存。CPU高速缓存为某个CPU独有，只与在该CPU运行的线程有关。

有了CPU高速缓存虽然解决了效率问题，可是它会带来一个新的问题：数据一致性。在程序运行中，会将运行所须要的数据复制一份到CPU高速缓存中，在进行运算时CPU再也不也主存打交道，而是直接从高速缓存中读写数据，只有当运行结束后才会将数据刷新到主存中。举一个简单的例子：

i++i++

当线程运行这段代码时，首先会从主存中读取i( i = 1)，而后复制一份到CPU高速缓存中，而后CPU执行 + 1 （2）的操做，而后将数据（2）写入到告诉缓存中，最后刷新到主存中。其实这样作在单线程中是没有问题的，有问题的是在多线程中。以下：

假若有两个线程A、B都执行这个操做（i++），按照咱们正常的逻辑思惟主存中的i值应该=3，但事实是这样么？分析以下：

两个线程从主存中读取i的值（1）到各自的高速缓存中，而后线程A执行+1操做并将结果写入高速缓存中，最后写入主存中，此时主存i==2,线程B作一样的操做，主存中的i仍然=2。因此最终结果为2并非3。这种现象就是缓存一致性问题。

解决缓存一致性方案有两种：

1. 经过在总线加LOCK#锁的方式
2. 经过缓存一致性协议

可是方案1存在一个问题，它是采用一种独占的方式来实现的，即总线加LOCK#锁的话，只能有一个CPU可以运行，其余CPU都得阻塞，效率较为低下。

第二种方案，缓存一致性协议（MESI协议）它确保每一个缓存中使用的共享变量的副本是一致的。其核心思想以下：当某个CPU在写数据时，若是发现操做的变量是共享变量，则会通知其余CPU告知该变量的缓存行是无效的，所以其余CPU在读取该变量时，发现其无效会从新从主存中加载数据。

Java内存模型

上面从操做系统层次阐述了如何保证数据一致性，下面咱们来看一下Java内存模型，稍微研究一下Java内存模型为咱们提供了哪些保证以及在Java中提供了哪些方法和机制来让咱们在进行多线程编程时可以保证程序执行的正确性。

在并发编程中咱们通常都会遇到这三个基本概念：原子性、可见性、有序性。咱们稍微看下volatile

原子性

原子性：即一个操做或者多个操做 要么所有执行而且执行的过程不会被任何因素打断，要么就都不执行。

原子性就像数据库里面的事务同样，他们是一个团队，同生共死。其实理解原子性很是简单，咱们看下面一个简单的例子便可：

i = 0;            ---1
j = i ;            ---2
i++;            ---3
i = j + 1;    ---4

上面四个操做，有哪一个几个是原子操做，那几个不是？若是不是很理解，可能会认为都是原子性操做，其实只有1才是原子操做，其他均不是。

1—在Java中，对基本数据类型的变量和赋值操做都是原子性操做；
2—包含了两个操做：读取i，将i值赋值给j
3—包含了三个操做：读取i值、i + 1 、将+1结果赋值给i；
4—同三同样

在单线程环境下咱们能够认为整个步骤都是原子性操做，可是在多线程环境下则不一样，Java只保证了基本数据类型的变量和赋值操做才是原子性的（注：在32位的JDK环境下，对64位数据的读取不是原子性操做*，如long、double）。要想在多线程环境下保证原子性，则能够经过锁、synchronized来确保。

volatile是没法保证复合操做的原子性

可见性

可见性是指当多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了这个变量的值，其余线程可以当即看获得修改的值。

在上面已经分析了，在多线程环境下，一个线程对共享变量的操做对其余线程是不可见的。

Java提供了volatile来保证可见性。

当一个变量被volatile修饰后，表示着线程本地内存无效，当一个线程修改共享变量后他会当即被更新到主内存中，当其余线程读取共享变量时，它会直接从主内存中读取。
固然，synchronize和锁均可以保证可见性。

有序性

有序性：即程序执行的顺序按照代码的前后顺序执行。

在Java内存模型中，为了效率是容许编译器和处理器对指令进行重排序，固然重排序它不会影响单线程的运行结果，可是对多线程会有影响。

Java提供volatile来保证必定的有序性。最著名的例子就是单例模式里面的DCL（双重检查锁）。这里LZ就再也不阐述了。

剖析volatile原理

JMM比较庞大，不是上面一点点就可以阐述的。上面简单地介绍都是为了volatile作铺垫的。

volatile能够保证线程可见性且提供了必定的有序性，可是没法保证原子性。在JVM底层volatile是采用“内存屏障”来实现的。

上面那段话，有两层语义

1. 保证可见性、不保证原子性
2. 禁止指令重排序

第一层语义就不作介绍了，下面重点介绍指令重排序。

在执行程序时为了提升性能，编译器和处理器一般会对指令作重排序：

1. 编译器重排序。编译器在不改变单线程程序语义的前提下，能够从新安排语句的执行顺序；
2. 处理器重排序。若是不存在数据依赖性，处理器能够改变语句对应机器指令的执行顺序；

指令重排序对单线程没有什么影响，他不会影响程序的运行结果，可是会影响多线程的正确性。既然指令重排序会影响到多线程执行的正确性，那么咱们就须要禁止重排序。那么JVM是如何禁止重排序的呢？这个问题稍后回答，咱们先看另外一个原则happens-before，happen-before原则保证了程序的“有序性”，它规定若是两个操做的执行顺序没法从happens-before原则中推到出来，那么他们就不能保证有序性，能够随意进行重排序。其定义以下：

1. 同一个线程中的，前面的操做 happen-before 后续的操做。（即单线程内按代码顺序执行。可是，在不影响在单线程环境执行结果的前提下，编译器和处理器能够进行重排序，这是合法的。换句话说，这一是规则没法保证编译重排和指令重排）。
2. 监视器上的解锁操做 happen-before 其后续的加锁操做。（Synchronized 规则）
3. 对volatile变量的写操做 happen-before 后续的读操做。（volatile 规则）
4. 线程的start() 方法 happen-before 该线程全部的后续操做。（线程启动规则）
5. 线程全部的操做 happen-before 其余线程在该线程上调用 join 返回成功后的操做。
6. 若是 a happen-before b，b happen-before c，则a happen-before c（传递性）。

咱们着重看第三点volatile规则：对volatile变量的写操做 happen-before 后续的读操做。为了实现volatile内存语义，JMM会重排序，其规则以下：

对happen-before原则有了稍微的了解，咱们再来回答这个问题JVM是如何禁止重排序的？

观察加入volatile关键字和没有加入volatile关键字时所生成的汇编代码发现，加入volatile关键字时，会多出一个lock前缀指令。lock前缀指令其实就至关于一个内存屏障。内存屏障是一组处理指令，用来实现对内存操做的顺序限制。volatile的底层就是经过内存屏障来实现的。下图是完成上述规则所须要的内存屏障：

volatile暂且下分析到这里，JMM体系较为庞大，不是三言两语可以说清楚的，后面会结合JMM再一次对volatile深刻分析。

总结

volatile看起来简单，可是要想理解它仍是比较难的，这里只是对其进行基本的了解。volatile相对于synchronized稍微轻量些，在某些场合它能够替代synchronized，可是又不能彻底取代synchronized，只有在某些场合才可以使用volatile。使用它必须知足以下两个条件：

1. 对变量的写操做不依赖当前值；
2. 该变量没有包含在具备其余变量的不变式中。

volatile常常用于两个两个场景：状态标记两、double check

参考资料

1. 周志明：《深刻理解Java虚拟机》
2. 方腾飞：《Java并发编程的艺术》
3. Java并发编程：volatile关键字解析
4. Java 并发编程：volatile的使用及其原理