Volatile实现原理

　　比如现在我们有这样一段代码：线程等待另一个线程将数据装载完就输出success，可是最后程序一直卡在while循环里没有往下执行。

public class VolatileDemo {
    private static boolean flag = false;
    //private static volatile boolean flag = false;

    public static void main(String[] args) throws Exception{
        new Thread(()->{
            System.out.println("等待装载数据。。。。");
            while(!flag){
            }
            System.out.println("====== SUCCESS =====");
        }).start();
        Thread.sleep(2000);
        new Thread(()->{
            System.out.println("开始装载");
            flag = true;
            System.out.println("装载完毕");
        }).start();
    }
}
/* 控制台输出
        等待装载数据。。。。
        开始装载
        装载完毕
 */

造成这个问题出现的原因是jmm原子操作造成的。jmm内存模型就是java内存模型、准确的说是java线程内存模型。它和cpu缓存模型类似、是基于cpu缓存模型来建立的。
jmm一共有8种原子操作：
　　read(读取)：从主存读取数据
　　load(载入)：将内存数据读到工作内存
　　use (使用)：取出工作内存中的数据来计算
　　assign(赋值)：将计算好的值重新赋予到工作内存中
　　store(存储)：将工作内存数据写入主存
　　write(写入)：将store过去的变量值赋值给主内存中的变量
　　lock(锁定)：将主内存变量加锁，标识为线程独占状态
　　unlock(解锁)：将主存变量解锁，解锁后其他线程可以锁定该变量

工作原理

 

 可以看到线程1已经把变量副本加载到工作内存了，而线程2将计算后的值存到主存之后，却没有办法告诉线程1，所以就出现了线程安全问题。其实cpu与主存交互会经过"总线"这么一个概念，cpu为了解决这种数据不一致问题有两种方案：
总线加锁(性能太低)
　　早期cpu是对总线加锁，lock住这个数据，这样其它线程就没法对它读或写，直到这个线程用完这个数据 unlock之后才能被其他线程操作。也就是说从read开始后直到write结束才释放锁。
MESI缓存一致性协议
　　多个线程将同一个数据读取到各自的缓存区后，某个cpu修改了缓存的数据之后，会立马同步给主存，这都是汇编语言实现的。其他cpu通过总线嗅探机制(可以理解为监听)可以感知到数据的变化从而将自己缓存里的数据失效，从而去读取主存的值。所以mesi协议是从store开始加锁，锁的粒度更小，时间更短。实际上volatile就是这么实现可见性的。同时由于这中间过程中有store和write几步操作、还要让其他cpu缓存的数据置空都是要耗时的，可能这个过程中数据被别人改了，所以它是非原子操作的。

指令重排

　　我们写好的代码，只是我们理解的执行顺序。但是在编译时实际是：1. javac(静态编译器)把代码编译为 .class字节码。2. jit(动态编译器)将 .class字节码 编译成 jvm 所在操作系统支持的机器码。但是在编译的过程中，为了提高代码的执行顺序，jit就会进行指令重排。在CPU在执行JVM字节码的时候，对现有的指令顺序进行排序优化，但不会对有依赖关系的做重排序。比如：
　　int a = 1;
　　int b = 2;
　　int c = a*c;
　　a 和 b 没有任何关系，所以它们的顺序无所谓，但是 c 依赖于a、b。只能存在于a、b后面，不然就乱套了。在一个变量被volatile修饰后会被禁止指令重排，JVM会为我们做两件事：
　　1.在每个volatile写操作前插入StoreStore屏障，在写操作后插入StoreLoad屏障。
　　2.在每个volatile读操作前插入LoadLoad屏障，在读操作后插入LoadStore屏障。

　　* 比如我们通过 双层检查+锁的形式创建某个类的单例时，我们会对这个类加上volatile，就是因为指令重排的原因可能类实例初始化好了，但是里面的成员变量还是空，这样就会出现异常。

volatile保证原子性？

　　在java中，long和double都8个字节共64位(一个字节=8bit)，JVM 规范出来的较早，那时候处理器还不能处理 64 位字长，所以 JVM 规范里定义的是 32 位字长的读写是原子的，而 64 位字长需要分成两次来操作。像long 和 double 都是 8 字节长度的类型，也就是有 64 位。需要分两步执行，每次读取32位，这样就对double和long变量的赋值就会出现问题。而通过volatile修饰之后，对这种类型数据赋值就是原子的了，因为它只是一步操作；而对于i++这种操作是无法保证原子性的，因为它实际是三步操作。现在都是64位的服务器系统了，那么对64位的long和double的读写都是原子操作的。即可以以一次性读写long或double的整个64bit。 (小知识点：防止工作中遇到杠精。)

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