并发系列之volatile

加州大学圣地亚哥分校（美国）校训：“愿知识之光普照大地。”

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夏季，收获的季节，可看着A股大盘一直趴着，又是徒劳了半年，不免稍有伤神。罢了罢了，聊聊可爱的技术吧，这东西才是养家糊口的根本。这年头，任何技能必须具有强大的变现能力，如果NO，请换道。可能很多朋友们不认同，俗话说：三百六十行行行出状元。OK，比如送外卖的小哥，送出刘翔的速度，送出吉尼斯纪录，也是肉眼可见的天花板吧。哈哈，上述纯扯淡，正事开干。

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这篇文章我不想简单地告诉你volatile的语义作用，JMM如何保证可见性等，咱们其实可以系统聊聊，前世今生还是很有必要的。那就从硬件系统架构/多核CPU主存可见性/JVM的底层实现讲讲，来龙去脉了解清楚了，那才叫真的理解，而不是简单地死记硬背，这才算是科学地学习。

一 硬件系统架构演变

我们知道，运行在计算机上的程序，指令是由CPU执行的，数据是存储在主存中的，CPU从主存中读取数据执行指令，再回写到主存中。CPU执行指令的速度是非常快的，但读取写入主存相对较慢的，有人拖后腿了，怎么办呢？大家有没有听说过CPU高速缓存，就是来解决拖后腿问题的。
1/CPU高速缓存
CPU高速缓存为单个CPU所有，只有运行在这个CPU上的线程才能访问。缓存系统是以缓存行为单位存储的，一般是64个字节。按级分为L1 cache / L2 cache / 多核心共享L3 cache。执行流程如下：
a/首先CPU使用自己的寄存器，然后使用速度更快的L1，其中L1D缓存数据，L1I缓存指令；
b/L1缓存和次快的L2做数据同步，L2缓存和L3做数据同步；
c/L3为多个CPU共享的，与主内存做数据同步；
2/缓存写入主存
a/直写(write-through)
直写是透过本级缓存，直接把数据写到下一级缓存中，或直接写到主存中，同时更新缓存中的数据，缓存行永远和它对应的内存内容相匹配。
b/回写(write-back)
缓存并不会立即把写操作传递到下一级，而是仅修改本级缓存中的数据，并且把对应的缓存数据标记为脏数据，脏数据会触发回写，即把里面的内容写到对应的内存或下一级缓存中，回写后，脏数据就变干净了。
3/CPU缓存一致性方案
a/通过在总线上加LOCK#锁的方式
这是一种独占式的方式，在同一时刻只能运行一个CPU，效率较为低下；
b/通过缓存一致性协议，保证多核CPU对共享数据的可见性，主要有：
窥探技术：
所有内存传输都发生在一条共享的总线上，对所有CPU可见；每个CPU不停地窥探总线上发生的数据交换，并追踪其他缓存在做什么。缓存是CPU独享的，内存是CPU共享的，缓存访问内存是需要仲裁的，即在同一个指令周期中，只有一个缓存可以读写内存。
MESI协议：是缓存行四种状态的缩写，如下
已修改缓存行(Modified)，该缓存行已经被所属的CPU修改了，其他CPU持有的该缓存行的拷贝也会变成失效状态；
独占缓存行(Exclusive)，和主存内容保持一致的拷贝，其他CPU持有的这份内容的拷贝变成失效状态；
共享缓存行(Shared)，和主存内容保持一致的拷贝，其他CPU也可持有拷贝，但只能读取，不允许写入；
无效缓存行(Invalid)，CPU中的缓存行无效了；
总结来看，只有某个CPU独占了这个缓存行，才能够写入，即处于M或E的状态；当CPU想读取该缓存行，该缓存行必须是共享状态。

二 指令重排序

我们知道，CPU在执行指令的时候为了提升性能，会有一定的指令重排。执行结果与预期结果一致，则重排一定是基于规则，volatile能够提供一定的有序性，禁止一定的指令重排。这里介绍下不同级别的重排序，如下：
1/编译器优化的重排序
编译器在不改变单线程程序的语义前提下，可重新安排语句的执行顺序；
2/指令级并行的重排序
如果不存在数据依赖性，处理器可以改变指令的执行顺序，采用的是指令级并行技术，将多条指令重叠执行；
3/内存系统的重排序
由于处理器使用缓存和读写缓冲区，这使得加载和存储操作看上去是乱序执行。
小结：就Java程序而言，从java代码到CPU执行序列，也要经过上述的重排序。分析来看，重排序会造成内存可见性问题。要想解决问题，需要了解重排序遵循的准则，才能找到对应的方案。
这里介绍下指令重排中单线程和多线程遵循的准则：
1/as-if-serial
只针对于单线程运行的程序，不管怎么怎么重排序，都不会改变执行结果。就是这么硬气，编译器/运行时和处理器重排序必须遵循。这里通俗理解下：主要是对指令之间数据具有依赖性禁止重排序。满足as-if-serial基准，单线程程序看起来像是按顺序执行的，避免了内存可见性问题。
2/happen-before
happen-before原则是Java内存模型对指令重排的约束，如A happen-before B，则A 操作的结果将对B可见，但实际中A 的执行顺序未必在B之前，只要执行结果与预期一致即可。JMM基于happen-before 原则保证多线程的内存可见性，具体准则如下：
a/程序顺序规则：一个线程中的每个操作，happen-before于该线程中任意后续的操作；
b/监视器锁规则：对一个监视器的解锁，happen-before于随后对这个监视器的加锁；
c/传递性：if A happen-before B，B happen-before C，则A happen-before C；
d/线程的start方法happen-before于线程的后续所有操作；
e/线程上的所有操作happen-before于其他线程在该线程上join返回成功后的操作；
f/volatile变量规则：对一个volatile域的写，happen-before于任意后续对这个域的读。

三 volatile原理

1/基本语义
volatile用来修饰变量或对象，有两层语义：
a/保证可见性，但不保证原子性;
b/提供一定程度的有序性(happen-before)，禁止指令重排序。
2/原理剖析
jvm是通过内存屏障来实现volatile的，内存屏障有四种类型，如下：
a/LoadLoad：指令形如Load1；LoadLoad；Load2，其语义是Load1的装载要先于Load2的装载；
b/LoadStore：指令形如Load1；LoadStore；Store2，其语义是Load1的装载要先于Store2存储指令刷新到内存；
c/StoreLoad：指令形如Store1；StoreLoad；Load2，其语义是Store1存储指令刷新到内存要先于Load2的装载；
d/StoreStore：指令形如Store1；StoreStore；Store2，其语义是Store1存储指令刷新到内存要先于Store2的存储；
举例，以两个操作读写为例看下插入的内存屏障，如下：

操作	普通读	普通写	volatile读	volatile写
普通读				LoadStore
普通写				StoreStore
volatile读	LoadLoad	LoadStore	LoadLoad	LoadStore
volatile写			StoreLoad	StoreStore

demo世界不孤单，请阅：

/**
 * @author 阿伦故事
 * @Description：测试volatile的作用
 * 对比去掉全局变量num的volatile的修饰看下测试结果
 * */
@Slf4j
public class VolatileTest {
    //声明volatile全局变量
    private volatile int num = 0;

    public static void main(String[] args) {
        VolatileTest volatileTest = new VolatileTest();
        //创建一个用于volatile写的线程并启动
        new Thread(()->{
            log.info("Thread name："+Thread.currentThread().getName()+"--sleep");
            try {
                Thread.sleep(500);
                volatileTest.num = 5;
                Thread.sleep(500);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            log.info("Thread name："+Thread.currentThread().getName()+"--dead");
        }).start();
        //创建一个用于volatile读的线程并启动
        new Thread(()->{
            log.info("Thread name："+Thread.currentThread().getName()+"--num="+volatileTest.num);
            try {
                Thread.sleep(500);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            log.info("Thread name："+Thread.currentThread().getName()+"--dead--num="+volatileTest.num);
        }).start();
    }
}

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特此声明：
分享文章有完整的知识架构图，将从以下几个方面系统展开：
1 基础（Linux/Spring boot/并发）
2 性能调优（jvm/tomcat/mysql）
3 高并发分布式
4 微服务体系
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