参考博客:https://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3920373.html

基本都是按照这个博客上面说的去理解,然后写出来.建议去看一下这个博客!

volatile这个关键字目前只在创建单例(懒汉式单例的时候)的时候用到,因此理解还不够深刻,只能按照自己理解去写一下,加深一下记忆!

Volatile关键字

1.内存模型相关概念

​ 我们知道,计算机在执行程序时,每条指令都是在CPU中执行的,而执行指令过程中,势必涉及到数据的读取和写入操作.由于程序运行过程中的数据存放在主存(物理内容)中,这就存在CPU执行效率较高,而内存读取/写入数据速度较慢,这会大大的降低指令执行的速度,因此在CPU里面就有了高度缓存.

​ 高速缓存的出现会解决CPU读取/写入慢的问题,这在单线程中是适用的,但在多线程中就会出线程不安全问题;假如多个线程共享同一个数据,那么这个数据数值的改变可能就不会通知其他线程,也就是出现了缓存不一致问题,通常有2种解决方法:

​ 1.在总线上加LOCK#锁的方式(因为会存在阻塞情况,所以效率低);

​ 2.通过缓存一致性协议(缓存一致性协议中较为出名的是Intel MESI协议,MESI协议保证了每个缓存中使用的共享变量的副本是一致的.它核心的思想是:当CPU写数据时,如果发现操作的变量时共享变量,即在其它CPU中也存下该变量的副本,会发出信号通知其它CPU将该变量的缓存设置为无效状态,因此当其它CPU需要读取这个变量时,发现自己缓存中缓存该变量的缓存行是无效的,那么它会从内存中重新读取);

CUP <---------> Cache <---------> 缓存一致性协议(或总锁机制) <---------> 主存(物理内存)

2.并发编程中的三个概念

2.1.原子性:

可以事务的原子性进行比较.也就是说:一个操作或者多个操作,要么全部执行并执行过程未被中断,要么全不执行;

超级典型的例子就是银行转账例子了!想想,,你给你父母装了1000,但他们账户钱数如果没有增加,会怎样,很崩溃是吗?

2.2.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,其它线程能够立即得到修改的值;

2.3.有序性:

即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行;

这里需要说明一下指令重排序,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,它不保证各个语句的执行先后顺序同代码中的顺序一致,但它会保证程序最终执行结果和代码顺序执行的结果一致.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;

3.Java内存模型

Java内存模型(Java Memory Model,JVM),java内存模型中,也存在一致性问题和指令重排序问题;

3.1原子性

在Java中,对基本数据类型的变量的读取和赋值操作时原子性操作,即这些操作时不可被中断的,要么执行,要么不执行;

Java内存模型只保证了基本读取和赋值是原子性操作,如果要实现更大范围操作的原子性,需要通过synchronized和Lock来实现.它们可以保证任何时候都只有一个线程执行该代码块,那么自然就不存在原子性问题了,从而保证了原子性;

3.2可见性

对于可见性,Java提供了volatile关键字来保证可见性;

当一个共享变量被volatile修饰时,它会保证修改的值会立即被更新到主存,当有其他线程需要读取时,它会去内存中读取新值.

另外,也可以通过synchronized和Lock来保证可见性;

3.3有序性

​ 在Java内存模型中,允许编译器和处理器对指令进行重排序,但是重排序过程不会影响大单线程程序的执行,却回影响到多线程并发执行的正确性;

​ Java提供了volatile关键字来保证一定的"有序性",另外,也可以通过synchronized和Lock来保证有序性;

另外，Java内存模型具备一些先天的“有序性”，即不需要通过任何手段就能够得到保证的有序性，这个通常也称为 happens-before 原则。如果两个操作的执行次序无法从happens-before原则推导出来，那么它们就不能保证它们的有序性，虚拟机可以随意地对它们进行重排序。

　　下面就来具体介绍下happens-before原则（先行发生原则）：

程序次序规则：一个线程内，按照代码顺序，书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作
锁定规则：一个unLock操作先行发生于后面对同一个锁额lock操作
volatile变量规则：对一个变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作
传递规则：如果操作A先行发生于操作B，而操作B又先行发生于操作C，则可以得出操作A先行发生于操作C
线程启动规则：Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每个一个动作
线程中断规则：对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生
线程终结规则：线程中所有的操作都先行发生于线程的终止检测，我们可以通过Thread.join()方法结束、Thread.isAlive()的返回值手段检测到线程已经终止执行
对象终结规则：一个对象的初始化完成先行发生于他的finalize()方法的开始
　　这8条原则摘自《深入理解Java虚拟机》。

　　这8条规则中，前4条规则是比较重要的，后4条规则都是显而易见的。

　　下面我们来解释一下前4条规则：
　　
　　对于程序次序规则来说，我的理解就是一段程序代码的执行在单个线程中看起来是有序的。注意，虽然这条规则中提到“书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作”，这个应该是程序看起来执行的顺序是按照代码顺序执行的，因为虚拟机可能会对程序代码进行指令重排序。虽然进行重排序，但是最终执行的结果是与程序顺序执行的结果一致的，它只会对不存在数据依赖性的指令进行重排序。因此，在单个线程中，程序执行看起来是有序执行的，这一点要注意理解。事实上，这个规则是用来保证程序在单线程中执行结果的正确性，但无法保证程序在多线程中执行的正确性。

　　第二条规则也比较容易理解，也就是说无论在单线程中还是多线程中，同一个锁如果出于被锁定的状态，那么必须先对锁进行了释放操作，后面才能继续进行lock操作。

　　第三条规则是一条比较重要的规则，也是后文将要重点讲述的内容。直观地解释就是，如果一个线程先去写一个变量，然后一个线程去进行读取，那么写入操作肯定会先行发生于读操作。

　　第四条规则实际上就是体现happens-before原则具备传递性。

4.剖析volatile关键字

1.volatile的两层含义

1)保证了不同线程对这个变量进行操作时的可见性,即一个线程修改额某个变量的值,这新值对其它线程来说是立即可见的;

2)禁止进行指令重排序.

2.volatile保证原子性吗?

无法保证

3.volatile可以保证有序性吗?

因为vloatile关键字能禁止指令重排序,所以能在一定程序上保证有序性.

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变量访问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。

4.volatile的原理和实现机制

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,内存屏障会提供3个功能:

1. 确保指定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;也就是说在执行到内存屏障这句指令时,它前面的操作已全部完成;
2. 它会强制对缓存的修改操作立即写入主存;
3. 如果是写操作,它会导致其他CPU中对应的缓存行无效;

5.volatile使用场景

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。