volatile的原理

今天來了解一下面試題：你對 volatile 了解多少。要了解 volatile 關鍵字，就得從 Java 內(nèi)存模型開始。最后到 volatile 的原理。

一、Java 內(nèi)存模型 (JMM)

大家都知道 Java 程序可以做到一次編寫然后到處運行。這個功勞要歸功于 Java 虛擬機。Java 虛擬機中定義了一種 Jva 內(nèi)存模型（JMM）,用來屏蔽掉各種硬件和操作系統(tǒng)之間內(nèi)存訪問差異，讓 Java 程序可以在各個平臺中訪問變量達到相同的效果。

JMM 的主要目標是定義了程序中變量的訪問規(guī)則，就是內(nèi)存中存放和讀取變量的一些底層的細節(jié)。

JMM 規(guī)則

1. 變量包含實例字段，靜態(tài)字段，構(gòu)成數(shù)組對象的元素，不包含局部變量和方法參數(shù)。
2. 變量都存儲在主內(nèi)存上。
3. 每個線程在 CPU 中都有自己的 工作內(nèi)存 ，工作內(nèi)存保存了被該線程使用到的變量的主內(nèi)存副本拷貝。
4. 線程對變量的所有操作都只能在工作內(nèi)存，不能直接讀寫主內(nèi)存的變量。
5. 不同線程之間無法之間訪問對方工作內(nèi)存中的變量。

定義一個靜態(tài)變量: static int a = 1;

上面的一系列內(nèi)存操作，在 JMM 中定義了 8 種操作來完成。

JMM 交互

主內(nèi)存和工作內(nèi)存之間的交互，JMM 定義了 8 種操作來完成，每個操作都是原子性的。

1. lock (鎖定): 作用于主內(nèi)存變量，把一個變量標識為一條內(nèi)存獨占的狀態(tài)。
2. unlock (解鎖): 作用于主內(nèi)存變量，把 lock 狀態(tài)的變量釋放出來，釋放出來后才能被其他線程鎖定。
3. read (讀取): 作用于主內(nèi)存變量，把一個變量的值從主內(nèi)存?zhèn)鬏數(shù)焦ぷ鲀?nèi)存中。
4. load (載入): 作用于工作內(nèi)存變量，把 read 操作的變量放入到工作內(nèi)存副本中。
5. use (使用): 作用于工作內(nèi)存變量，把工作內(nèi)存中的變量的值傳遞給執(zhí)行引擎，每當虛擬機遇到需要這個變量的值的字節(jié)碼指令時都執(zhí)行這個操作。
6. assgin (賦值): 作用于工作內(nèi)存變量，把從執(zhí)行引擎收到的值賦值給工作內(nèi)存變量，每當虛擬機遇到需要賦值變量的值的字節(jié)碼指令時都執(zhí)行這個操作。
7. store (存儲): 作用于工作內(nèi)存變量，把工作內(nèi)存中的一個變量值，傳送到主內(nèi)存。
8. write (寫入): 作用于主內(nèi)存變量，把 store 操作的從工作內(nèi)存取到的變量寫入主內(nèi)存變量中。

從上圖中可知，JMM 交互在一條線程中是不會出現(xiàn)任何的問題。但是當有兩條線程的時候，線程 1 已經(jīng)修改了變量的值，但是并未刷新到主內(nèi)存時，如果此時線程 2 讀取變量得到的值并不是線程 1 修改過的數(shù)據(jù)。

當引入線程 2 的時候 定義一個靜態(tài)變量: static int a = 1;

下面就可以用 volatile 關鍵字解決問題。

二、volatile

volatile 可以保證變量對所有線程可見，一條線程修改的值，其他線程對新值可以立即得知。還可以禁止指令的重排序。

可見性

修改內(nèi)存變量后立刻同步到主內(nèi)存中，其他的線程立刻得知得益于 Java 的先行發(fā)生原則

先行發(fā)生原則中的 volatile 原則：一個 volatile 變量的寫操作先行于后面發(fā)生的這個變量的讀操作

定義一個靜態(tài)變量: static int a = 1;

可見性原理

對 volatile 修飾的變量，在執(zhí)行寫操作的時候會多出一條 lock 前綴的指令。JVM 將 lock 前綴指令發(fā)送給 CPU ，CPU 處理寫操作后將最后的值立刻寫回主內(nèi)存，因為有 MESI 緩存一致性協(xié)議保證了各個 CPU 的緩存是一致的，所以各個 CPU 緩存都會對總線進行嗅探，本地緩存中的數(shù)據(jù)是否被別的線程修改了。

如果別的線程修改了共享變量的數(shù)據(jù)，那么 CPU 就會將本地緩存的變量數(shù)據(jù)過期掉，然后這個 CPU 上執(zhí)行的線程在讀取共享變量的時候，就會從主內(nèi)存重新加載最新的數(shù)據(jù)。

原子性

volatile 并不保證變量具有原子性。

public class VolatileTest implements Runnable {

    public static volatile int num;

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            num++;
        }

    }

    public static void main(String[] args) {
        for(int i = 0; i < 100; i++) {
            VolatileTest t = new VolatileTest();
            Thread t0 = new Thread(t);
            t0.start();
        }
        System.out.println(num);
        
    }
}

這段代碼的結(jié)果有可能不是 100000，有可能小于 100000。因為 num++ 并不是原子性的。

有序性

volatile 是通過禁止指令重排序來保證有序性。為了優(yōu)化程序的執(zhí)行效率 JVM 在編譯 Java 代碼的時候或者 CPU 在執(zhí)行 JVM 字節(jié)碼的時候，不影響最終結(jié)果的前提下會對指令進行重新排序。

編譯器會根據(jù)以下策略將內(nèi)存屏障插入到指令中，禁止重排序：

1. 在 volatile 寫操作之前插入 StoreStore 屏障。禁止和 StoreStore 屏障之前的普通寫操作不會進行重排序。
2. 在 volatile 寫操作之后插入 StoreLoad 屏障。禁止和 StoreLoad 屏障之后的 volatile 讀寫重排序。
3. 在 volatile 讀操作之后插入 LoadLoad 屏障。禁止和 LoadLoad 之后的普通讀和 volatile 讀重排序。
4. 在 volatile 寫操作之后插入 LoadStore 屏障。禁止和 LoadStore 屏障之后的普通寫操作重排序。