Java 技术之volatile

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volatile关键字的两层语义

  当一个共享变量（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。

volatile保证变量的可见性

  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，会将共享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更改了共享变量的值之后，但是还没来得及写入主存当中，线程2转去做其他事情了，那么此时线程1是不知道当前的共享变量已经被线程2修改了，如果此时线程1也修改了当前的共享变量的值，那么最终主内存的值可能不是两个线程所期望的值。
  但是用volatile修饰之后就变得不一样了，因为：

1. 使用volatile关键字会强制将修改的值立即写入主存；
2. 使用volatile关键字的话，当线程2进行修改时，会导致线程1的工作内存中缓存的共享变量的缓存行无效（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）；
3. 由于线程1的工作内存中缓存的共享变量的缓存行无效，所以线程1再次读取共享变量的值时会去主存读取。

  那么在线程2修改共享变量的值时（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的工作内存中缓存的共享变量的缓存行无效，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。那么此时线程1读取到的就是最新的正确的值。以上可以参考上图的Java内存模型。
  但是需要注意的是，volatile关键字并不能保证操作的原子性。

volatile 禁止指令重排序

  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。

volatile不保证操作的原子性

  volatile关键字能保证可见性没有错，但是上面的程序错在没能保证原子性。可见性只能保证每次读取的是最新的值，但是volatile没办法保证对变量的操作的原子性。
  我们知道自增操作是不具备原子性的，它包括读取变量的原始值、进行加1操作、写入工作内存。也就是说自增操作的三个子操作可能会分割开执行，就有可能导致下面这种情况出现：
  假如某个时刻变量inc的值为10，线程1对变量进行自增操作，线程1先读取了变量inc的原始值，然后线程1被阻塞了；
  然后线程2对变量进行自增操作，线程2也去读取变量inc的原始值，由于线程1只是对变量inc进行读取操作，而没有对变量进行修改操作，所以不会导致线程2的工作内存中缓存变量inc的缓存行无效，所以线程2会直接去主存读取inc的值，发现inc的值时10，然后进行加1操作，并把11写入工作内存，最后写入主存。
  然后线程1接着进行加1操作，由于已经读取了inc的值，注意此时在线程1的工作内存中inc的值仍然为10，所以线程1对inc进行加1操作后inc的值为11，然后将11写入工作内存，最后写入主存。
  那么两个线程分别进行了一次自增操作后，inc只增加了1。
  解释到这里，可能有朋友会有疑问，不对啊，前面不是保证一个变量在修改volatile变量时，会让缓存行无效吗？然后其他线程去读就会读到新的值，对，这个没错。这个就是上面的happens-before规则中的volatile变量规则，但是要注意，线程1对变量进行读取操作之后，被阻塞了的话，并没有对inc值进行修改。然后虽然volatile能保证线程2对变量inc的值读取是从内存中读取的，但是线程1没有进行修改，所以线程2根本就不会看到修改的值。根源就在这里，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。

volatile的原理和实现机制

  前面讲述了源于volatile关键字的一些使用，下面我们来探讨一下volatile到底如何保证可见性和禁止指令重排序的。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；
  2）它会强制将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。

参考：http://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3920373.html