5、Volitle关键字详解

1.volitle特性及解释

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。
• 通过synchronized和Lock也能够保证可见性，synchronized和Lock能保证同一时刻只有一个线程获取锁然后执行同步代码，并且在释放锁之前会将对变量的修改刷新到主存当中，因此可以保证可见性。

有序性

• volatile关键字禁止指令重排序
• synchronized和Lock也可以保证有序性，很显然，synchronized和Lock保证每个时刻是有一个线程执行同步代码，相当于是让线程顺序执行同步代码，自然就保证了有序性。
• 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。

2. volitle特性的实现原理

  简单说volitle是通过内存屏障即读屏障和写屏障来实现可见性和有序性，因为内存屏障禁止强制前后指令按序执行，并且强制读取和更新主存数据。

2.1 内存屏障

  内存屏障（memory barrier） 是一个CPU指令。基本上，它是这样一条指令： a) 确保一些特定操作执行的顺序； b) 影响一些数据的可见性(可能是某些指令执行后的结果)。编译器和CPU可以在保证输出结果一样的情况下对指令重排序，使性能得到优化。插入一个内存屏障， 相当于告诉CPU和编译器先于这个命令的必须先执行，后于这个命令的必须后执行。内存屏障另一个作用是强制更新一次不同CPU的缓存。例如，一个写屏障会 把这个屏障前写入的数据刷新到缓存，这样任何试图读取该数据的线程将得到最新值，而不用考虑到底是被哪个cpu核心或者哪颗CPU执行的。

2.2 Load Barrier 和 Store Barrier即读屏障和写屏障

内存屏障有两个作用：

• 阻止屏障两侧的指令重排序；
• 强制把写缓冲区/高速缓存中的脏数据等写回主内存，让缓存中相应的数据失效。对于Load Barrier来说，在指令前插入Load Barrier，可以让高速缓存中的数据失效，强制从新从主内存加载数据；对于Store Barrier来说，在指令后插入Store Barrier，能让写入缓存中的最新数据更新写入主内存，让其他线程可见。

2.3 volitle中的内存屏障

• volatile的内存屏障策略非常严格保守，非常悲观且毫无安全感的心态：
• 在每个volatile写操作前插入StoreStore屏障，在写操作后插入StoreLoad屏障；
• 在每个volatile读操作前插入LoadLoad屏障，在读操作后插入LoadStore屏障；
• 由于内存屏障的作用，避免了volatile变量和其它指令重排序、线程之间实现了通信，使得volatile表现出了锁的特性。

2.4 final语义中的内存屏障

• 新建对象过程中，构造体中对final域的初始化写入和这个对象赋值给其他引用变量，这两个操作不能重排序；
  初次读包含final域的对象引用和读取这个final域，这两个操作不能重排序；（先赋值引用，再调用final值）
  总之上面规则的意思可以这样理解，必需保证一个对象的所有final域被写入完毕后才能引用和读取。这也是内存屏障的起的作用：
• 写final域：在编译器写final域完毕，构造体结束之前，会插入一个StoreStore屏障，保证前面的对final写入对其他线程/CPU可见，并阻止重排序。
• 读final域：在上述规则2中，两步操作不能重排序的机理就是在读final域前插入了LoadLoad屏障。
• X86处理器中，由于CPU不会对写-写操作进行重排序，所以StoreStore屏障会被省略；而X86也不会对逻辑上有先后依赖关系的操作进行重排序，所以LoadLoad也会变省略。

2.5 java中应用

• AtomicInteger import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger
• ReentantLock中的state变量

3.happens-before原则

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。

4. volatile和缓存一致性协议MESI的关系

  首先明确二者并无关系，volatile是java语言层面给出的保证，MSEI协议是多核cpu保证cache一致性，volatile和MESI差着好几层抽象，中间会经历java编译器，java虚拟机和JIT，操作系统，CPU核心。

  对于x86的体系结构，voltile变量的访问代码会被java编译器生成不乱序的，带有lock指令前缀的机器码。而lock的实现还要区分，这个数据在不在CPU核心的专有缓存中（一般是指L1/L2/L3）。如果在，MESI才有用武之地。如果不满足就会要用其他手段。而这些手段是虚拟机开发者，以及操作系统开发者需要考虑的问题。简而言之，CPU里的缓存，buffer，queue有很多种。MESI只能在一种情况下解决核心专有Cache之间不一致的问题。此外，如果有些CPU不支持MESI协议，那么必须用其他办法来实现等价的效果，比如总是用锁总线的方式，或者明确的fence指令来保证volatile想达到的目标。

  mesi只是保证了L1-3 的cache之间的可见性，但是cpu和L1之间
还有像storebuffer之类的缓存，而volatile规范保证了对它修饰的变量的写指令会使得当前cpu所有缓存写到被mesi保证可见性的L1-3cache中。（具体的实现，以X86体系为例，volatile会被JVM生成带lock前缀的指令）。

4.1 Volatile是如何保证可见性的

  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，它有三个功能：

• 确保指令重排序时不会把其后面的指令重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后面，即在执行到内存屏障这句指令时，前面的操作已经全部完成；
• 将当前处理器缓存行的数据立即写回系统内存（由volatile先行发生原则保证）；
• 这个写回内存的操作会引起在其他CPU里缓存了该内存地址的数据无效。写回操作时要经过总线传播数据，而每个处理器通过嗅探在总线上传播的数据来检查自己缓存的值是不是过期了，当处理器发现自己缓存行对应的内存地址被修改，就会将当前处理器的缓存行设置为无效状态，当处理器要对这个值进行修改的时候，会强制重新从系统内存里把数据读到处理器缓存(也是由volatile先行发生原则保证)；

4.2 缓存一致性协议

缓存一致性协议有多种，但是日常处理的大多数计算机设备都属于”嗅探（snooping）”协议，它的基本思想是：

• 所有内存的传输都发生在一条共享的总线上，而所有的处理器都能看到这条总线：缓存本身是独立的，但是内存是共享资源，所有的内存访问都要经过仲裁（同一个指令周期中，只有一个CPU缓存可以读写内存）。
• CPU缓存不仅仅在做内存传输的时候才与总线打交道，而是不停在嗅探总线上发生的数据交换，跟踪其他缓存在做什么。所以当一个缓存代表它所属的处理器去读写内存时，其它处理器都会得到通知，它们以此来使自己的缓存保持同步。只要某个处理器一写内存，其它处理器马上知道这块内存在它们的缓存段中已失效。

IA-32手册对lock指令作用的描述，可以得出lock指令的作用：

• 1、锁总线，其它CPU对内存的读写请求都会被阻塞，直到锁释放，不过实际后来的处理器都采用锁缓存替代锁总线，因为锁总线的开销比较大，锁总线期间其他CPU没法访问内存
• 2、lock后的写操作会回写已修改的数据，同时让其它CPU相关缓存行失效，从而重新从主存中加载最新的数据
• 3、不是内存屏障却能完成类似内存屏障的功能，阻止屏障两遍的指令重排序
  由于效率问题，实际后来的处理器都采用锁缓存来替代锁总线，这种场景下多缓存的数据一致是通过缓存一致性协议来保证的 **