深入理解volatile

一、Java内存模型

• Java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存中。
• 每条线程中都有自己的工作内存，线程的工作内存中保存了被该线程所使用到的变量（这些变量是从主内存中拷贝而来）。
• 线程对变量的所有操作（读取，赋值）都必须在工作内存中进行。
• 不同线程之间也无法直接访问对方工作内存中的变量，线程间变量值的传递均需要通过主内存来完成。

    基于此种内存模型，便产生了多线程编程中的数据“脏读”等问题：

    假设初始时，有个变量i=0，开启两个线程分别对i加1。

    两个线程分别读取i的值存入各自所在的工作内存当中，然后线程1进行加1操作，然后把i的最新值11写入到内存。此时线程2的工作内存当中i的值还是10，进行加1操作之后，i的值为1，然后线程2把i的值写入内存。最终i的值为1，而我们预期的值是2。

二、原子性、可见性、有序性

并发编程三个基本性质

• 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。
• 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。
  
• 有序性：即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。

三、volatile的原理

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。

指令重排序：处理器为了提高程序运行效率，可能会对输入代码进行优化，它不保证程序中各个语句的执行先后顺序同代码中的顺序一致，但是它会保证程序最终执行结果和代码顺序执行的结果是一致的。

    1.volatile保证可见性

第一：使用volatile关键字会强制将修改的值立即写入主存；

第二：当一个线程对变量的值进行修改时，会导致其他线程工作内存中缓存的变量置为无效

第三：由于缓存变量无效，所以其他线程读取变量s时会去主存读取。

    2. volatile不能确保原子性

可以通过synchronized或lock，进行加锁，来保证操作的原子性。也可以通过AtomicInteger。

    3. 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变量的读操作或者写操作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。

四、volatile底层的具体实现

1.可见性

处理器为了提高处理速度，不直接和内存进行通讯，而是将系统内存的数据独到内部缓存后再进行操作，但操作完后不知什么时候会写到内存。

如果对声明了volatile变量进行写操作时，JVM会向处理器发送一条Lock前缀的指令，将这个变量所在缓存行的数据写会到系统内存。 这一步确保了如果有其他线程对声明了volatile变量进行修改，则立即更新主内存中数据。

但这时候其他处理器的缓存还是旧的，所以在多处理器环境下，为了保证各个处理器缓存一致，每个处理会通过嗅探在总线上传播的数据来检查 自己的缓存是否过期，当处理器发现自己缓存行对应的内存地址被修改了，就会将当前处理器的缓存行设置成无效状态，当处理器要对这个数据进行修改操作时，会强制重新从系统内存把数据读到处理器缓存里。 这一步确保了其他线程获得的声明了volatile变量都是从主内存中获取最新的。

2.有序性

Lock前缀指令实际上相当于一个内存屏障（也成内存栅栏），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。