被volatile修改的變量有2大特點(diǎn)

特點(diǎn)

• 可見性
• 有序性---排序要求，禁止重排

volatile的內(nèi)存語義

• 當(dāng)寫一個volatile變量時，JMM會把該線程對應(yīng)的本地內(nèi)存中的共享變量值立即刷新回主內(nèi)存中。
• 當(dāng)讀一個volatile變量時，JMM會把該線程對應(yīng)的本地內(nèi)存設(shè)置為無效，直接從主內(nèi)存中讀取。
• 所以volatile的寫內(nèi)存語義是直接刷新到主內(nèi)存中，讀的內(nèi)存語義是直接從主內(nèi)存中讀取。

內(nèi)存屏障

是什么

內(nèi)存屏障（是一類同步屏障指令，是CPU或編譯器在對內(nèi)存隨機(jī)訪問的操作中的一個同步點(diǎn)，使得此點(diǎn)之前的所有讀寫操作都執(zhí)行后才可以開始執(zhí)行此點(diǎn)之后的操作），避免代碼重排序。內(nèi)存屏障其實(shí)就是一種JVM指令，Java內(nèi)存模型的重排規(guī)則會要求Java編譯器在生成JVM指令時插入特定的內(nèi)存屏障指令，通過這些內(nèi)存屏障指令，volatile實(shí)現(xiàn)了Java內(nèi)存模型中的可見性和有序性，但volatile無法保證原子性。

內(nèi)存屏障之前的所有寫操作都要回寫到主內(nèi)存，

內(nèi)存屏障之后的所有讀操作都能獲得內(nèi)存屏障之前的所有寫操作的最新結(jié)果(實(shí)現(xiàn)了可見性)。

因此重排序時，不允許把內(nèi)存屏障之后的指令重排序到內(nèi)存屏障之前。

一句話：對一個 volatile 域的寫, happens-before 于任意后續(xù)對這個 volatile 域的讀，也叫寫后讀。

面試中經(jīng)常問到的，volatile憑什么可以保證可見性和有序性？？？靠的就是內(nèi)存屏障 (Memory Barriers / Fences)

內(nèi)存屏障的底層是什么?怎么實(shí)現(xiàn)的？

通過C++源碼分析 Unsafe.class / Unsafe.java / Unsafe.cpp / OrderAccess.hpp /
orderAccess_linux_x86.inline.hpp 其底層依托的就是 cpu的四個屏障指令。(底層系統(tǒng)級別的指令)

happens-before 之 volatile 變量規(guī)則

• 當(dāng)?shù)谝粋€操作為volatile讀時，不論第二個操作是什么，都不能重排序。這個操作保證了volatile讀之后的操作不會被重排到volatile讀之前。
• 當(dāng)?shù)诙€操作為volatile寫時，不論第一個操作是什么，都不能重排序。這個操作保證了volatile寫之前的操作不會被重排到volatile寫之后。
• 當(dāng)?shù)谝粋€操作為volatile寫時，第二個操作為volatile讀時，不能重排。

JMM 就將內(nèi)存屏障插?策略分為 4 種

寫

1. 在每個 volatile 寫操作的前?插??個 StoreStore 屏障
2. 在每個 volatile 寫操作的后?插??個 StoreLoad 屏障

讀

3. 在每個 volatile 讀操作的后?插??個 LoadLoad 屏障
4. 在每個 volatile 讀操作的后?插??個 LoadStore 屏障

volatile特性

保證可見性

保證不同線程對這個變量進(jìn)行操作時的可見性，即變量一旦改變所有線程立即可見。

舉個栗子

public class VolatileSeeDemo{
static boolean flag = true;       //不加volatile，沒有可見性
//static volatile boolean flag = true;       //加了volatile，保證可見性

public static void main(String[] args){
	new Thread(() -> {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t come in");
            while (flag){

            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t flag被修改為false,退				出.....");
        },"t1").start();

//暫停2秒鐘后讓main線程修改flag值
try { TimeUnit.SECONDS.sleep(2); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace();}

	flag = false;
    System.out.println("main線程修改完成");
    }
}

不加volatile，沒有可見性，程序無法停止，加了volatile，保證可見性，程序可以停止。

原理解釋：

線程t1中為何看不到被主線程main修改為false的flag的值？

問題可能:

1. 主線程修改了flag之后沒有將其刷新到主內(nèi)存，所以t1線程看不到。

2. 主線程將flag刷新到了主內(nèi)存，但是t1一直讀取的是自己工作內(nèi)存中flag的值，沒有去主內(nèi)存中更新獲取flag最新的值。

我們的訴求：

1.線程中修改了工作內(nèi)存中的副本之后，立即將其刷新到主內(nèi)存；

2.工作內(nèi)存中每次讀取共享變量時，都去主內(nèi)存中重新讀取，然后拷貝到工作內(nèi)存。

解決：

使用volatile修飾共享變量，就可以達(dá)到上面的效果，被volatile修改的變量有以下特點(diǎn)：

1. 線程中讀取的時候，每次讀取都會去主內(nèi)存中讀取共享變量最新的值，然后將其復(fù)制到工作內(nèi)存

2. 線程中修改了工作內(nèi)存中變量的副本，修改之后會立即刷新到主內(nèi)存

volatile變量的讀寫過程

前面學(xué)習(xí)JMM的時候我們已經(jīng)了解了：關(guān)于主內(nèi)存與工作內(nèi)存之間具體的交互協(xié)議（即一個變量如何從主內(nèi)存拷貝到工作內(nèi)存、如何從工作內(nèi)存同步回主內(nèi)存之類的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)）

Java內(nèi)存模型中定義了以下8種操作來完成，虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)時必須保證下面提及的每一種操作都是原子的、不可再分的?，F(xiàn)在我們結(jié)合volatile關(guān)鍵字再來看一下。

read(讀取)→load(加載)→use(使用)→assign(賦值)→store(存儲)→write(寫入)→lock(鎖定)→unlock(解鎖)

read: 作用于主內(nèi)存，將變量的值從主內(nèi)存?zhèn)鬏數(shù)焦ぷ鲀?nèi)存，主內(nèi)存到工作內(nèi)存

load: 作用于工作內(nèi)存，將read從主內(nèi)存?zhèn)鬏數(shù)淖兞恐捣湃牍ぷ鲀?nèi)存變量副本中，即數(shù)據(jù)加載

use: 作用于工作內(nèi)存，將工作內(nèi)存變量副本的值傳遞給執(zhí)行引擎，每當(dāng)JVM遇到需要該變量的字節(jié)碼指令時會執(zhí)行該操作

assign: 作用于工作內(nèi)存，將從執(zhí)行引擎接收到的值賦值給工作內(nèi)存變量，每當(dāng)JVM遇到一個給變量賦值字節(jié)碼指令時會執(zhí)行該操作

store: 作用于工作內(nèi)存，將賦值完畢的工作變量的值寫回給主內(nèi)存

write: 作用于主內(nèi)存，將store傳輸過來的變量值賦值給主內(nèi)存中的變量

由于上述只能保證單條指令的原子性，針對多條指令的組合性原子保證，沒有大面積加鎖，所以，JVM提供了另外兩個原子指令：

lock: 作用于主內(nèi)存，將一個變量標(biāo)記為一個線程獨(dú)占的狀態(tài)，只是寫時候加鎖，就只是鎖了寫變量的過程。

unlock: 作用于主內(nèi)存，把一個處于鎖定狀態(tài)的變量釋放，然后才能被其他線程占用

不保證原子性

volatile變量的復(fù)合操作(如i++)不具有原子性

舉個栗子

class MyNumber {
     volatile int number = 0;

    public void addPlusPlus() {
        number++;
    }
}

public class VolatileNoAtomicDemo {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        MyNumber myNumber = new MyNumber();

        for (int i = 1; i <=10; i++) {
            new Thread(() -> {
                for (int j = 1; j <= 1000; j++) {
                    myNumber.addPlusPlus();
                }
            },String.valueOf(i)).start();
        }

        //暫停幾秒鐘線程
        try { TimeUnit.SECONDS.sleep(1); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t" + myNumber.number);
    }
}

從i++的字節(jié)碼角度說明

原子性指的是一個操作是不可中斷的，即使是在多線程環(huán)境下，一個操作一旦開始就不會被其他線程影響。i++; 不具備原子性，該操作是先讀取值，然后寫回一個新值，相當(dāng)于原來的值加上1，分3步完成

如果第二個線程在第一個線程讀取舊值和寫回新值期間讀取i的域值，那么第二個線程就會與第一個線程一起看到同一個值，并執(zhí)行相同值的加1操作，這也就造成了線程安全失敗，因此對于add方法必須使用synchronized修飾，以便保證線程安全。

結(jié)論

多線程環(huán)境下，"數(shù)據(jù)計算"和"數(shù)據(jù)賦值"操作可能多次出現(xiàn)，即操作非原子。若數(shù)據(jù)在加載之后，若主內(nèi)存count變量發(fā)生修改之后，由于線程工作內(nèi)存中的值在此前已經(jīng)加載，從而不會對變更操作做出相應(yīng)變化，即私有內(nèi)存和公共內(nèi)存中變量不同步，進(jìn)而導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致。

對于volatile變量，JVM只是保證從主內(nèi)存加載到線程工作內(nèi)存的值是最新的，也就是數(shù)據(jù)加載時是最新的。由此可見volatile解決的是變量讀時的可見性問題，但無法保證原子性，對于多線程修改共享變量的場景必須使用加鎖同步。

面試題：為什么volatile不能保證原子性？

拿 i++的JVM的字節(jié)碼，i++分成三步，工作內(nèi)存和主內(nèi)存之間進(jìn)行讀取寫入的時候，在在use和assign之間依然有極小的間隙期，在間隙期的時候是非原子操作。

read-load-use 和 assign-store-write 成為了兩個不可分割的原子操作，但是在use和assign之間依然有極小的一段真空期，有可能變量會被其他線程讀取，導(dǎo)致數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤。

無論在哪一個時間點(diǎn)主內(nèi)存的變量和任一工作內(nèi)存的變量的值都是相等的。這個特性也就導(dǎo)致了volatile變量不適合參與到依賴當(dāng)前值的運(yùn)算。

指令禁重排

說明

重排序

重排序是指編譯器和處理器為了優(yōu)化程序性能而對指令序列進(jìn)行重新排序的一種手段，有時候會改變程序語句的先后順序

• 不存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系，可以重排序；
• 存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系，禁止重排序

但重排后的指令絕對不能改變原有的串行語義！這點(diǎn)在并發(fā)設(shè)計中必須要重點(diǎn)考慮！

重排序的分類和執(zhí)行流程

• 編譯器優(yōu)化的重排序： 編譯器在不改變單線程串行語義的前提下，可以重新調(diào)整指令的執(zhí)行順序
• 指令級并行的重排序： 處理器使用指令級并行技術(shù)來講多條指令重疊執(zhí)行，若不存在數(shù)據(jù)依賴性，處理器可以改變語句對應(yīng)機(jī)器指令的執(zhí)行順序
• 內(nèi)存系統(tǒng)的重排序： 由于處理器使用緩存和讀/寫緩沖區(qū)，這使得加載和存儲操作看上去可能是亂序執(zhí)行

數(shù)據(jù)依賴性：若兩個操作訪問同一變量，且這兩個操作中有一個為寫操作，此時兩操作間就存在數(shù)據(jù)依賴性。

存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系，禁止重排序===> 重排序發(fā)生，會導(dǎo)致程序運(yùn)行結(jié)果不同。

編譯器和處理器在重排序時，會遵守數(shù)據(jù)依賴性，不會改變存在依賴關(guān)系的兩個操作的執(zhí)行,但不同處理器和不同線程之間的數(shù)據(jù)性不會被編譯器和處理器考慮，其只會作用于單處理器和單線程環(huán)境。

底層實(shí)現(xiàn)是通過內(nèi)存屏障

四大屏障的插入情況

• 在每一個volatile寫操作前面插入一個StoreStore屏障

• StoreStore屏障可以保證在volatile寫之前，其前面的所有普通寫操作都已經(jīng)刷新到主內(nèi)存中。

• 在每一個volatile寫操作后面插入一個StoreLoad屏障

• StoreLoad屏障的作用是避免volatile寫與后面可能有的volatile讀/寫操作重排序

• 在每一個volatile讀操作后面插入一個LoadLoad屏障

• LoadLoad屏障用來禁止處理器把上面的volatile讀與下面的普通讀重排序。

• 在每一個volatile讀操作后面插入一個LoadStore屏障

• LoadStore屏障用來禁止處理器把上面的volatile讀與下面的普通寫重排序。

如何正確使用volatile

• 單一賦值可以，but含復(fù)合運(yùn)算賦值不可以(i++之類)

• volatile int a = 10
• volatile boolean flag = false

• 狀態(tài)標(biāo)志，判斷業(yè)務(wù)是否結(jié)束
• 開銷較低的讀，寫鎖策略

/**
* 使用：當(dāng)讀遠(yuǎn)多于寫，結(jié)合使用內(nèi)部鎖和 volatile 變量來減少同步的開銷
* 理由：利用volatile保證讀取操作的可見性；利用synchronized保證復(fù)合操作的原子性
*/
public class UseVolatileDemo{

	private volatile int value;

    public int getValue(){
    	return value;   //利用volatile保證讀取操作的可見性
    }
    public synchronized int increment(){
    	return value++; //利用synchronized保證復(fù)合操作的原子性
    }

}

• DCL雙端鎖的發(fā)布

• 單例模式

總結(jié)

內(nèi)存屏障是什么

內(nèi)存屏障：是一種屏障指令，它是的cpu 或 編譯器 對屏障指令的 前 和 后 所發(fā)出的內(nèi)存操作 執(zhí)行一個排序的約束。也叫內(nèi)存柵欄 或 柵欄指令。

內(nèi)存屏障能干嘛

• 阻止屏障兩邊的指令重排序
• 寫數(shù)據(jù)時加入屏障，強(qiáng)制將線程私有工作內(nèi)存的數(shù)據(jù)刷回主物理內(nèi)存
• 讀數(shù)據(jù)時加入屏障，線程私有工作內(nèi)存的數(shù)據(jù)失效，重新到主物理內(nèi)存中獲取最新數(shù)據(jù)

內(nèi)存屏障四大指令

• 在每一個volatile寫操作前面插入一個StoreStore屏障

• 在每一個volatile寫操作后面插入一個StoreLoad屏障

• 在每一個volatile讀操作后面插入一個LoadLoad屏障

• 在每一個volatile讀操作后面插入一個LoadStore屏障\

為什么我們寫了一個volatile關(guān)鍵字系統(tǒng)底層加入內(nèi)存屏障？兩者怎么關(guān)聯(lián)的?

字節(jié)碼層面

ACC_VOLATILE 關(guān)鍵字

volatile可見性

volatile禁重排

寫指令

讀指令

一句話總結(jié)