volatile关键字详解

• 内存模型的相关概念
  • 指令在CPU中执行，数据读取在主存中，这个过程为了平衡cpu和主存的速度，cpu引入了高速缓存。也就是说运行时会把数据复制一份到高速缓存，cpu是向这个cache进行读写。运算结束后再把数据刷到主存。
  • i = i + 1；这个语句的执行过程：
    • 当线程执行这个语句时，会先从主存当中读取i的值，然后复制一份到高速缓存当中，然后CPU执行指令对i进行加1操作，然后将数据写入高速缓存，最后将高速缓存中i最新的值刷新到主存当中。
    • 多线程环境下，每个线程运行时有自己的高速缓存，就会出问题：比如初始为0，两个线程分别读i进自己的cache，线程1把变量+1后写入内存，线程2中的值还是0，加1后又写入了内存。最终结果i的值是1，而不是2。这就是著名的缓存一致性问题。通常称这种被多个线程访问的变量为共享变量。
    • 为了解决缓存不一致性问题，通常来说有以下2种解决方法：
      • 1. 通过在总线加LOCK#锁的方式
      • 2. 通过缓存一致性协议
      • 这两种都是硬件实现
        • 第一种锁住总线期间，其他CPU无法访问内存，导致效率低下。
        • 所以就出现了缓存一致性协议。最出名的就是Intel 的MESI协议。MESI协议保证了每个缓存中使用的共享变量的副本是一致的。它核心的思想是：当CPU写数据时，如果发现操作的变量是共享变量，即在其他CPU中也存在该变量的副本，会发出信号通知其他CPU将该变量的缓存行置为无效状态，因此当其他CPU需要读取这个变量时，发现自己缓存中缓存该变量的缓存行是无效的，那么它就会从内存重新读取。
• 并发编程中的三个概念
  • 原子性
    • 即一个操作或者多个操作 要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断，要么就都不执行。
    • i = 9; 这个在OS中不是原子操作，中间被打断就会出错。
  • 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，其他线程能够立即看得到修改的值。
    • 确实就是高速缓存内的值改了，但没更新主存的值，别的线程就看不到。所以保证可见性就是立即更新主存。
  • 有序性
    • 指令重排序：他会对指令执行的顺序进行重排序。但可以保证最终结果和原本的顺序执行一样，怎么保证呢？他会考虑指令之间的数据依赖性，有依赖的不会重排。所以指令重排序不会影响单线程。但多线程就有问题了
      • 多线程有问题的例子：如果线程1先执行了语句2，那线程2就会跳出循环，但确实线程1的上下文还没加载的。

• Java内存模型
  • Java内存模型规定所有的变量都是存在主存当中（类似于前面说的物理内存），每个线程都有自己的工作内存（类似于前面的高速缓存）。线程对变量的所有操作都必须在工作内存中进行，而不能直接对主存进行操作。并且每个线程不能访问其他线程的工作内存。
  • Java对原子性的保证：
    • 在Java中，对基本数据类型的变量的读取和赋值操作是原子性操作，即这些操作是不可被中断的，要么执行，要么不执行。
    • 就是说，只有简单的读取、赋值（而且必须是将数字赋值给某个变量，变量之间的相互赋值不是原子操作）才是原子操作。
    • Java内存模型只保证了基本读取和赋值是原子性操作，如果要实现更大范围操作的原子性，可以通过synchronized和Lock来实现。由于synchronized和Lock能够保证任一时刻只有一个线程执行该代码块，那么自然就不存在原子性问题了，从而保证了原子性。
  • Java对可见性的保证
    • 用volatile关键字来保证。
    • 当一个共享变量被volatile修饰时，它会保证修改的值会立即被更新到主存，当有其他线程需要读取时，它会去内存中读取新值。
    • 另外，通过synchronized和Lock也能够保证可见性，synchronized和Lock能保证同一时刻只有一个线程获取锁然后执行同步代码，并且在释放锁之前会将对变量的修改刷新到主存当中。因此可以保证可见性。
    • Java允许指令重排，这对单线程没事，但会影响多线程。可以通过volatile关键字来保证一定的“有序性”。
    • 另外Java内存模型具备一些先天的“有序性”，也就是 happens-before 原则。
      • 如果两个操作的执行次序无法从happens-before原则推导出来，那么它们就不能保证它们的有序性，虚拟机可以随意地对它们进行重排序。
      • happens-before 原则主要有8个：
        • 程序次序规则：一个线程内，按照代码顺序，书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作
        • 锁定规则：一个unLock操作先行发生于后面对同一个锁额lock操作
          • 第二条规则也比较容易理解，也就是说无论在单线程中还是多线程中，同一个锁如果出于被锁定的状态，那么必须先对锁进行了释放操作，后面才能继续进行lock操作。
        • volatile变量规则：对一个变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作
          • 第三条规则是一条比较重要的规则，也是后文将要重点讲述的内容。直观地解释就是，如果一个线程先去写一个变量，然后一个线程去进行读取，那么写入操作肯定会先行发生于读操作。
        • 传递规则：如果操作A先行发生于操作B，而操作B又先行发生于操作C，则可以得出操作A先行发生于操作C
• 深入剖析volatile关键字
  • 1.volatile关键字的两层语义
    • 一旦一个共享变量（类的成员变量、类的静态成员变量）被volatile修饰之后，那么就具备了两层语义：
    • 1）保证了不同线程对这个变量进行操作时的可见性，即一个线程修改了某个变量的值，这新值对其他线程来说是立即可见的。
    • 2）禁止进行指令重排序。
  • volatile不保证原子性
    • 要保证原子性，有三种方法：1.采用synchronized；2.采用lock；4.采用AtomicInteger。
  • volatile保证有序性
    • volatile关键字禁止指令重排序有两层意思：
      • 1）当程序执行到volatile变量的读操作或者写操作时，在其前面的操作的更改肯定全部已经进行，且结果已经对后面的操作可见；在其后面的操作肯定还没有进行；
      • 2）在进行指令优化时，不能将在对volatile变量访问的语句放在其后面执行，也不能把volatile变量后面的语句放到其前面执行。
      • 例子：

• 由于flag变量为volatile变量，那么在进行指令重排序的过程的时候，不会将语句3放到语句1、语句2前面，也不会讲语句3放到语句4、语句5后面。但是要注意语句1和语句2的顺序、语句4和语句5的顺序是不作任何保证的。
• 并且volatile关键字能保证，执行到语句3时，语句1和语句2必定是执行完毕了的，且语句1和语句2的执行结果对语句3、语句4、语句5是可见的。
• 前面：这里如果用volatile关键字对inited变量进行修饰，就不会出现这种问题了，因为当执行到语句2时，必定能保证context已经初始化完毕

• volatile实现原理
  • 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” ---《深入理解Java虚拟机》
  • lock前缀指令实际上相当于一个内存屏障（也成内存栅栏），内存屏障会提供3个功能：
    • 1）它确保指令重排序时不会把其后面的指令排到内存屏障之前的位置，也不会把前面的指令排到内存屏障的后面；即在执行到内存屏障这句指令时，在它前面的操作已经全部完成；
    • 2）它会强制将对缓存的修改操作立即写入主存；
    • 3）如果是写操作，它会导致其他CPU中对应的缓存行无效。

参考资料：

Java并发编程：volatile关键字解析 - Matrix海子 - 博客园 (cnblogs.com)

个人总结思维导图型： volatile关键字详解 - 幕布 (mubu.com)