Java并发编程之volatile关键字

　　大概是因为项目、业务的原因，工作上几乎还没有使用过多线程相关的功能，相关知识差不多都忘了，所以最近补一下基础。

　　volatile用来修饰共享变量，volatile变量具有 synchronized 的可见性特性，但是不具备原子特性。volatile修饰的成员变量在每次被线程访问时，都强迫从共享内存中重读该成员变量的值。当成员变量发生变化时，强迫线程将变化值回写到共享内存。以保证在同一时刻，不同的线程看到该成员变量的值是一致的。

　　因为volatile关键字与Java的内存模型有关，所以先看一下Java内存模型里面的几个概念知识。

　　1、可见性

　　指多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了该变量的值，其他线程立马可以看到该线程修改后的值。

　　如下图所示，每个线程都有自己的工作内存，线程访问共享变量时，会先将变量加载到工作内存（如工作内存未缓存该变量），然后对工作内存中的变量副本进行读写操作。假设多个线程同时访问a变量，线程1修改了工作内存中的a变量值，但没有刷新到主内存中，其他线程从主内存缓存的a变量值还是原来的旧值；或者线程1修改a变量的值后刷新到了主内存，但是其他线程工作内存中缓存了线程1修改之前的旧值，其他线程访问该变量时没有从主内存中重新获取，就会出现在多个线程中，同一共享变量的值不一致，即存在可见性问题。

　　在 Java 中 volatile、synchronized 和 final 实现可见性。

　　

　　2、原子性

　　同数据库的原子性，指一个不可拆分的最小单位，原子操作表示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，要么全部不执行。

　　比如：i = 0；（i非long和double类型）这个操作是不可分割的，那么我们说这个操作是原子操作。

　　再比如：i++；实际上等于i = i + 1；先读取i的值，再修改i的值，是可分割的两个操作，所以不是原子操作。

　　在 Java 中 synchronized 和在 lock、unlock 中操作保证原子性。

　　3、有序性

　　指程序按照代码的先后顺序执行。

　　《深入理解Java虚拟机》中提到：如果在本线程内观察，所有的操作都是有序的；如果在一个线程中观察另一个线程，所有的操作都是无序的。前半句是指“线程内表现为串行语义”，后半句是指“指令重排序”现象和“工作内存中主内存同步延迟”现象。Java 语言提供了 volatile和synchronized两个关键字来保证线程之间操作的有序性，volatile是因为其本身就包含了“禁止指令重排序”的语义，synchronized 是由“一个变量在同一个时刻只允许一条线程对其进行 lock 操作”这条规则获得的，此规则决定了持有同一个锁的两个同步块只能串行地进入。

 

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一、volatile实现原理

　　volatile是轻量级的synchronized，如果volatile变量修饰符使用恰当的话，它比synchronized的使用和执行成本更低，因为它不会引起线程上下文的切换和调度。volatile变量修饰的共享变量在进行写操作时，会多一行带有lock前缀的汇编指令，lock前缀的指令在多核处理器下会引发两件事：

　　1、  将当前处理器缓存行的数据写回到系统内存。

　　Lock前缀指令会引起处理器缓存回写到内存。Lock前缀指令导致在执行指令期间，声言处理器的LOCK#信号。在多处理器环境中，LOCK#信号确保在声言该信号期间，处理器可以独占任何共享内存。

　　2、  写回内存的操作会使其他CPU里缓存了该内存地址的数据无效。

　　IA-32处理器和Intel 64处 理器使用MESI（修改、独占、共享、无效）控制协议去维护内部缓存和其他处理器缓存的一致性。处理器使用嗅探技术保证它的内部缓存、系统内存和其他处理器的缓存的数据在总线上保持一致。

二、volatile内存语义

　　当声明共享变量为volatile后，就具备了以下两层语义：

　　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。

 

　　从内存语义的角度来说，volatile的写-读与锁的释放-获取有相同的内存效果：volatile写和锁的释放有相同的内存语义；volatile读与锁的获取有相同的内存语义。

　　当写一个volatile变量时，JMM会把该线程对应的本地内存中的共享变量值刷新到主内存。

　　当读一个volatile变量时，JMM会把该线程对应的本地内存置为无效。线程接下来将从主内存中读取共享变量。

 

　　为了优化程序性能，编译器重和处理器会对指令序列进行重新排序。但是为了实现volatile内存语义，JMM会分别限制这两种类型的重排序类型。编译器在生成字节码时，会在指令序列中插入内存屏障来禁止特定类型的处理器重排序。

三、volatile使用场景

　　虽然说volatile是轻量级的synchronized，但是volatile关键字是无法替代synchronized关键字的。synchronized关键字是防止多个线程同时执行一段代码，会很影响程序执行效率，但是能够保证一组操作的原子性；而volatile对任意单个变量的读/写具有原子性，但对于一组复合操作不具有原子性（例如：i++）。

　　要使 volatile 变量提供理想的线程安全，必须同时满足下面两个条件：

• 对变量的写操作不依赖于当前值。
• 该变量没有包含在具有其他变量的不变式中。