volatile学习

作者: lbcBoy | 来源:发表于2018-05-14 16:39 被阅读4次

目录：
1.volatile是什么
2.volatile的作用
3.volatile的原理
4.volatile与synchronized有什么区别
5.并发编程中的三个概念
6.使用volatile关键字的场景
7.CPU缓存的相关知识
8.学习成果检查

1.volatile是什么

volatile是Java提供的一种轻量级的同步机制，在并发编程中，它也扮演着比较重要的角色。同synchronized相比（synchronized通常称为重量级锁），volatile更轻量级，相比使用synchronized所带来的庞大开销，倘若能恰当的合理的使用volatile，自然是美事一桩。
Java语言规范对volatile的定义如下：
Java编程语言允许线程访问共享变量，为了确保共享变量能被准确和一致地更新，线程应该确保通过排他锁单独获得这个变量。
上面比较绕口，通俗点讲就是说一个变量如果用volatile修饰了，则Java可以确保所有线程看到这个变量的值是一致的，如果某个线程对volatile修饰的共享变量进行更新，那么其他线程可以立马看到这个更新，这就是所谓的线程可见性。

2.volatile的作用

2.1.volatile保证可见性

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。

2.2.volatile不能确保原子性

原因：自增操作不是原子性操作，而且volatile也无法保证对变量的任何操作都是原子性的。
解决方案：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。
在java 1.5的java.util.concurrent.atomic包下提供了一些原子操作类，即对基本数据类型的自增（加1操作），自减（减1操作）、以及加法操作（加一个数），减法操作（减一个数）进行了封装，保证这些操作是原子性操作。atomic是利用CAS来实现原子性操作的（Compare And Swap），CAS实际上是利用处理器提供的CMPXCHG指令实现的，而处理器执行CMPXCHG指令是一个原子性操作。

2.3.volatile保证有序性

在前面提到volatile关键字能禁止指令重排序，所以volatile能在一定程度上保证有序性。
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。

3.volatile的原理

3.1.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。

指令重排：指令重排序是JVM为了优化指令，提高程序运行效率，在不影响单线程程序执行结果的前提下，尽可能地提高并行度。编译器、处理器也遵循这样一个目标。注意是单线程。多线程的情况下指令重排序就会给程序员带来问题。

3.2.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。

3.3 lock前缀

下面这段话摘自《深入理解Java虚拟机》：

“观察加入volatile关键字和没有加入volatile关键字时所生成的汇编代码发现，加入volatile关键字时，会多出一个lock前缀指令”
　　lock前缀指令实际上相当于一个内存屏障（也成内存栅栏），内存屏障会提供3个功能：
　　1）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；（有序性）
　　2）它会强制将对缓存的修改操作立即写入主存；（可见性）
　　3）如果是写操作，它会导致其他CPU中对应的缓存行无效。（可见性）

4.volatile与synchronized有什么区别

volatile	synchronized
volatile是一个变量修饰符	synchronized是一个方法或块的修饰符
volatile本质是在告诉jvm当前变量在寄存器（工作内存）中的值是不确定的，需要从主存中读取	synchronized则是锁定当前变量，只有当前线程可以访问该变量，其他线程被阻塞住
volatile仅能使用在变量级别	synchronized则可以使用在变量、方法、和类级别的
volatile仅能实现变量的修改可见性，不能保证原子性	而synchronized则可以保证变量的修改可见性和原子性
volatile不会造成线程的阻塞	synchronized可能会造成线程的阻塞
volatile标记的变量不会被编译器优化	synchronized标记的变量可以被编译器优化

5.并发编程中的三个概念

在并发编程中，我们通常会遇到以下三个问题：原子性问题，可见性问题，有序性问题。我们先看具体看一下这三个概念：

5.1.原子性

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。

范例1-银行账户转账问题：

比如从账户A向账户B转1000元，那么必然包括2个操作：从账户A减去1000元，往账户B加上1000元。

试想一下，如果这2个操作不具备原子性，会造成什么样的后果。假如从账户A减去1000元之后，操作突然中止。
然后又从B取出了500元，取出500元之后，再执行 往账户B加上1000元 的操作。
这样就会导致账户A虽然减去了1000元，但是账户B没有收到这个转过来的1000元。
所以这2个操作必须要具备原子性才能保证不出现一些意外的问题。

同样地反映到并发编程中会出现什么结果呢？

范例2：32位的变量赋值过程:

i = 9
假若一个线程执行到这个语句时，我暂且假设为一个32位的变量赋值包括两个过程：为低16位赋值，为高16位赋值。
那么就可能发生一种情况：当将低16位数值写入之后，突然被中断，而此时又有一个线程去读取i的值，那么读取到的就是错误的数据。

5.2.可见性

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。

举个简单的例子，看下面这段代码：

//线程1执行的代码
int i = 0;
i = 10;

//线程2执行的代码
j = i;

假若执行线程1的是CPU1，执行线程2的是CPU2。由上面的分析可知，当线程1执行 i =10这句时，会先把i的初始值加载到CPU1的高速缓存中，然后赋值为10，那么在CPU1的高速缓存当中i的值变为10了，却没有立即写入到主存当中。

此时线程2执行 j = i，它会先去主存读取i的值并加载到CPU2的缓存当中，注意此时内存当中i的值还是0，那么就会使得j的值为0，而不是10.

这就是可见性问题，线程1对变量i修改了之后，线程2没有立即看到线程1修改的值。

5.3.有序性

有序性：即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。举个简单的例子，看下面这段代码：

int i = 0;              
boolean flag = false;
i = 1;                //语句1  
flag = true;          //语句2

上面代码定义了一个int型变量，定义了一个boolean类型变量，然后分别对两个变量进行赋值操作。从代码顺序上看，语句1是在语句2前面的，那么JVM在真正执行这段代码的时候会保证语句1一定会在语句2前面执行吗？不一定，为什么呢？这里可能会发生指令重排序（Instruction Reorder）。

下面解释一下什么是指令重排序，一般来说，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。

比如上面的代码中，语句1和语句2谁先执行对最终的程序结果并没有影响，那么就有可能在执行过程中，语句2先执行而语句1后执行。

但是要注意，虽然处理器会对指令进行重排序，但是它会保证程序最终结果会和代码顺序执行结果相同，那么它靠什么保证的呢？再看下面一个例子1：

int a = 10;    //语句1
int r = 2;    //语句2
a = a + 3;    //语句3
r = a*a;     //语句4

这段代码有4个语句，那么可能的一个执行顺序是：
语句2->语句1->语句3->语句4

那么可不可能是这个执行顺序呢：
语句2->语句1->语句4->语句3

不可能，因为处理器在进行重排序时是会考虑指令之间的数据依赖性，如果一个指令Instruction 2必须用到Instruction 1的结果，那么处理器会保证Instruction 1会在Instruction 2之前执行。

虽然重排序不会影响单个线程内程序执行的结果，但是多线程呢？下面看一个例子2：

//线程1:
context = loadContext();   //语句1
inited = true;             //语句2
 
//线程2:
while(!inited ){
  sleep()
}
doSomethingwithconfig(context);

上面代码中，由于语句1和语句2没有数据依赖性，因此可能会被重排序。假如发生了重排序，在线程1执行过程中先执行语句2，而此是线程2会以为初始化工作已经完成，那么就会跳出while循环，去执行doSomethingwithconfig(context)方法，而此时context并没有被初始化，就会导致程序出错。

从上面可以看出，指令重排序不会影响单个线程的执行，但是会影响到线程并发执行的正确性。

也就是说，要想并发程序正确地执行，必须要保证原子性、可见性以及有序性。只要有一个没有被保证，就有可能会导致程序运行不正确。

6.使用volatile关键字的场景

synchronized关键字是防止多个线程同时执行一段代码，那么就会很影响程序执行效率，而volatile关键字在某些情况下性能要优于synchronized，但是要注意volatile关键字是无法替代synchronized关键字的，因为volatile关键字无法保证操作的原子性。通常来说，使用volatile必须具备以下2个条件：
1）对变量的写操作不依赖于当前值
2）该变量没有包含在具有其他变量的不变式中

实际上，这些条件表明，可以被写入 volatile 变量的这些有效值独立于任何程序的状态，包括变量的当前状态。
事实上，我的理解就是上面的2个条件需要保证操作是原子性操作，才能保证使用volatile关键字的程序在并发时能够正确执行。

下面列举几个Java中使用volatile的几个场景。

6.1.状态标记量

    volatile boolean flag = false;
     
    while(!flag){
        doSomething();
    }
     
    public void setFlag() {
        flag = true;
    }

这段代码是很典型的一段代码，很多人在中断线程时可能都会采用这种标记办法。但是事实上，这段代码会完全运行正确么？即一定会将线程中断么？不一定，也许在大多数时候，这个代码能够把线程中断，但是也有可能会导致无法中断线程（虽然这个可能性很小，但是只要一旦发生这种情况就会造成死循环了）。

下面解释一下这段代码为何有可能导致无法中断线程。在前面已经解释过，每个线程在运行过程中都有自己的工作内存，那么线程1在运行的时候，会将flag变量的值拷贝一份放在自己的工作内存当中。
　　那么当线程2更改了flag变量的值之后，但是还没来得及写入主存当中，线程2转去做其他事情了，那么线程1由于不知道线程2对flag变量的更改，因此还会一直循环下去。

但是用volatile修饰之后就变得不一样了：
　　第一：使用volatile关键字会强制将修改的值立即写入主存；
　　第二：使用volatile关键字的话，当线程2进行修改时，会导致线程1的工作内存中缓存变量flag的缓存行无效（反映到硬件层的话，就是CPU的L1或者L2缓存中对应的缓存行无效）；
　　第三：由于线程1的工作内存中缓存变量flag的缓存行无效，所以线程1再次读取变量flag的值时会去主存读取。
　　那么在线程2修改flag值时（当然这里包括2个操作，修改线程2工作内存中的值，然后将修改后的值写入内存），会使得线程1的工作内存中缓存变量flag的缓存行无效，然后线程1读取时，发现自己的缓存行无效，它会等待缓存行对应的主存地址被更新之后，然后去对应的主存读取最新的值。
　　那么线程1读取到的就是最新的正确的值。

    volatile boolean inited = false;
    //线程1:
    context = loadContext();  
    inited = true;            
     
    //线程2:
    while(!inited ){
    sleep()
    }
    doSomethingwithconfig(context);

解释参考5.3的例子2

6.2.单例模式中的double check

    class Singleton{
    private volatile static Singleton instance = null;
 
    private Singleton() {
 
    }
 
    public static Singleton getInstance() {
        if(instance==null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if(instance==null)
                    instance = new Singleton();
            }
        }
        return instance;
    }
}

为什么要使用volatile 修饰instance？
主要在于instance = new Singleton()这句，这并非是一个原子操作，事实上在 JVM 中这句话大概做了下面 3 件事情:
1.给 instance 分配内存
2.调用 Singleton 的构造函数来初始化成员变量
3.将instance对象指向分配的内存空间（执行完这步 instance 就为非 null 了）。

但是在 JVM 的即时编译器中存在指令重排序的优化。也就是说上面的第二步和第三步的顺序是不能保证的，最终的执行顺序可能是 1-2-3 也可能是 1-3-2。如果是后者，则在 3 执行完毕、2 未执行之前，被线程二抢占了，这时 instance 已经是非 null 了（但却没有初始化），所以线程二会直接返回 instance，然后使用，然后顺理成章地报错。

7.CPU缓存的相关知识

7.1.CPU缓存

CPU缓存的出现主要是为了解决CPU运算速度与内存读写速度不匹配的矛盾，因为CPU运算速度要比内存读写速度快得多，举个例子：

一次主内存的访问通常在几十到几百个时钟周期
一次L1高速缓存的读写只需要1~2个时钟周期
一次L2高速缓存的读写也只需要数十个时钟周期

这种访问速度的显著差异，导致CPU可能会花费很长时间等待数据到来或把数据写入内存。

基于此，现在CPU大多数情况下读写都不会直接访问内存（CPU都没有连接到内存的管脚），取而代之的是CPU缓存，CPU缓存是位于CPU与内存之间的临时存储器，它的容量比内存小得多但是交换速度却比内存快得多。而缓存中的数据是内存中的一小部分数据，但这一小部分是短时间内CPU即将访问的，当CPU调用大量数据时，就可先从缓存中读取，从而加快读取速度。

按照读取顺序与CPU结合的紧密程度，CPU缓存可分为：

一级缓存：简称L1 Cache，位于CPU内核的旁边，是与CPU结合最为紧密的CPU缓存。
二级缓存：简称L2 Cache，分内部和外部两种芯片，内部芯片二级缓存运行速度与主频相同，外部芯片二级缓存运行速度则只有主频的一半。
三级缓存：简称L3 Cache，部分高端CPU才有。

每一级缓存中所存储的数据全部都是下一级缓存中的一部分，这三种缓存的技术难度和制造成本是相对递减的，所以其容量也相对递增。

当CPU要读取一个数据时，首先从一级缓存中查找，如果没有再从二级缓存中查找，如果还是没有再从三级缓存中或内存中查找。一般来说每级缓存的命中率大概都有80%左右，也就是说全部数据量的80%都可以在一级缓存中找到，只剩下20%的总数据量才需要从二级缓存、三级缓存或内存中读取。

7.2.使用CPU缓存带来的问题

用一张图表示一下 CPU –> CPU缓存 –> 主内存数据读取之间的关系：

image

当系统运行时，CPU执行计算的过程如下：

程序以及数据被加载到主内存
指令和数据被加载到CPU缓存
CPU执行指令，把结果写到高速缓存
高速缓存中的数据写回主内存

如果服务器是单核CPU，那么这些步骤不会有任何的问题，但是如果服务器是多核CPU，那么问题来了，以Intel Core i7处理器的高速缓存概念模型为例（图片来自《深入理解计算机系统》）：

image

试想下面一种情况：

核0读取了一个字节，根据局部性原理，它相邻的字节同样被被读入核0的缓存
核3做了上面同样的工作，这样核0与核3的缓存拥有同样的数据
核0修改了那个字节，被修改后，那个字节被写回核0的缓存，但是该信息并没有写回主存
核3访问该字节，由于核0并未将数据写回主存，数据不同步

为了解决这一问题，CPU制造商规定了一个缓存一致性协议。

7.3.缓存一致性协议

每个CPU都有一级缓存，但是，我们却无法保证每个CPU的一级缓存数据都是一样的。所以同一个程序，CPU进行切换的时候，切换前和切换后的数据可能会有不一致的情况。那么这个就是一个很大的问题了。如何保证各个CPU缓存中的数据是一致的。就是CPU的缓存一致性问题。

7.4.总线锁

一种处理一致性问题的办法是使用Bus Locking（总线锁）。当一个CPU对其缓存中的数据进行操作的时候，往总线中发送一个Lock信号。这个时候，所有CPU收到这个信号之后就不操作自己缓存中的对应数据了，当操作结束，释放锁以后，所有的CPU就去内存中获取最新数据更新。

但是用锁的方式总是避不开性能问题。总线锁总是会导致CPU的性能下降。所以出现另外一种维护CPU缓存一致性的方式，MESI。

7.5.MESI

MESI是保持一致性的协议。它的方法是在CPU缓存中保存一个标记位，这个标记位有四种状态:

M: Modify，修改缓存，当前CPU的缓存已经被修改了，即与内存中数据已经不一致了；
E: Exclusive，独占缓存，当前CPU的缓存和内存中数据保持一致，而且其他处理器并没有可使用的缓存数据；
S: Share，共享缓存，和内存保持一致的一份拷贝，多组缓存可以同时拥有针对同一内存地址的共享缓存段；
I: Invalid，失效缓存，这个说明CPU中的缓存已经不能使用了。

CPU的读取遵循下面几点：

如果缓存状态是I，那么就从内存中读取，否则就从缓存中直接读取。
如果缓存处于M或E的CPU读取到其他CPU有读操作，就把自己的缓存写入到内存中，并将自己的状态设置为S。
只有缓存状态是M或E的时候，CPU才可以修改缓存中的数据，修改后，缓存状态变为M。

这样，每个CPU都遵循上面的方式则CPU的效率就提高上来了。

8.学习成果检查

面试官：Java并发这块了解的怎么样？说说你对volatile关键字的理解。
面试官：能不能详细说下什么是内存可见性，什么又是指令重排呢？
面试官：那你具体说说并发编程的三个特性呢？
面试官：volatile关键字如何满足并发编程的三大特性的？
面试官：volatile的两点内存语义能保证可见性和有序性，但是能保证原子性吗？
面试官：那你知道volatile底层的实现机制？
面试官：你在哪里会使用到volatile，举两个例子呢？
面试官：单例模式的几种实现方式？能手写一下代码吗？

感谢网友的分享：
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http://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3920373.html
https://blog.csdn.net/wanghai__/article/details/6260178
http://www.techug.com/post/java-volatile-keyword.html