volatile实现

volatile关键字有两方面的作用，一是保证共享变量可见性，二是禁止指令重排。

一、内存可见性

站在一个java程序员的角度，内存可见性应该从两个方面去理解，多核CPU的缓存一致性，以及JMM多线程线程栈本地内存与主存一致性。

1.1、CPU缓存一致性

现代CPU多采用多级缓存架构，

cpu缓存架构

缓存大大缩小了高速CPU与低速内存之间的差距。以三层缓存架构为例：
L1 Cache最接近CPU, 容量最小（如32K、64K等）、速度最高，每个核上都有一个L1 Cache。
L2 Cache容量更大（如256K）、速度更低, 一般情况下，每个核上都有一个独立的L2 Cache。
L3 Cache最接近内存，容量最大（如12MB），速度最低，在同一个CPU插槽之间的核共享一个L3 Cache。
在这种架构下，可能会存在下面的问题：
1、Core0与Core1命中了内存中的同一个地址，那么各自的L1 Cache会缓存同一份数据的副本。
2、最开始，Core0与Core1都在友善的读取这份数据。
3、突然，Core0要使坏了，它修改了这份数据，因为缓存的存在，这个修改并不会马上同步到主存，二十仅仅修改了Core 0 自己的L1 Cache中的值，此时Core1如果还继续以自己L1 Cache中的数据为准，必然导致错误的结果。

如何解决这个问题呢？缓存一致性协议MESI。
关于缓存一致性协议，可参考下面这篇博客，写得非常好。
https://www.cnblogs.com/yanlong300/p/8986041.html
简单来讲，就是当某一核改变了共享变量的值，cpu会发出一个指令，让其他核心L1 Cache中保存的值变成失效状态，当其他核心需要读取这个值时，需要到主存中重新加载。

1.2、工作内存与主存的一致性

Java工作内存与主存.png

java每个线程的工作内存都会有一个共享变量的备份，若一个线程中的值改变了而未同步到主存，另一个线程可能会读到脏数据。
若共享变量被定义未volatile，则：
写一个volatile变量时，JMM会把线程对应的工作内存中的变量值刷新到主存。
读一个volatile变量时，JMM会把线程对应的本地内存置为无效，然后从主存中读取该变量。

二、指令重排

指令重排分为编译器重排与处理器重排，JMM制定了如下的volatile重排序规则：

是否允许重排序	第二个操作	第二个操作	第二个操作
第一个操作	普通读/写	volatile读	volatile写
普通读写	是	是	否
volatile读	否	否	否
volatile写	是	否	否

可以看出：
1、当第二个操作是volatile写时，不论第一个操作是什么，都不允许重排。
2、当第一个操作是volatile读时，不论第二个操作是什么，都不允许重排。
3、当第一个操作是volatile写，第二个操作是volatile读时，不允许重排。

Java编译器通过插入内存屏障来实现以上规则。JMM内存屏障分为四种：

屏障类型	指令示例	说明
LoadLoad Barriers	Load1; LoadLoad; Load2	确保load1先于load2
StoreStore Barriers	Store1; StoreStore; Store2	确保store1先于store2
LoadStore Barriers	Load1; LoadStore; Store2	确保load1先于Store2
StoreLoad Barriers	Store1; StoreLoad; Load2	确保store1先于load2

采用以下策略进行内存屏障插入：

• 在每个volatile写操作的前面插入一个StoreStore屏障。
• 在每个volatile写操作的后面插入一个StoreLoad屏障。
• 在每个volatile读操作的前面插入一个Load Load屏障。
• 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadStore屏障。

参考
https://www.jianshu.com/p/64240319ed60
https://www.cnblogs.com/yanlong300/p/8986041.html
《Java并发编程的艺术》