Volatile使用原理及作用
- Volatile可见性
①基本概念：线程之间的可见性，一个线程修改的状态对另一个线程时可见的，也就是一个线程修改的结果，另一个线程马上就能看到。
②实现原理：
cpu緩存
按照读取顺序与CPU结合的紧密程度，CPU缓存可分为：
一级缓存：简称L1 Cache，位于CPU内核的旁边，是与CPU结合最为紧密的CPU缓存
二级缓存：简称L2 Cache，分内部和外部两种芯片，内部芯片二级缓存运行速度与主频相同，外部芯片二级缓存运行速度则只有主频的一半
三级缓存：简称L3 Cache，部分高端CPU才有
当CPU要读取一个数据时，首先从一级缓存中查找，如果没有再从二级缓存中查找，如果还是没有再从三级缓存中或内存中查找。一般来说每级缓存的命中率大概都有80%左右，也就是说全部数据量的80%都可以在一级缓存中找到，只剩下20%的总数据量才需要从二级缓存、三级缓存或内存中读取。
CPU–>CPU缓存–>主内存数据读取之间的关系：
- 程序以及数据被加载到主内存
- 指令和数据被加载到CPU缓存
- CPU执行指令，把结果写到高速缓存
- 高速缓存中的数据写回主内存
多核cpu思考一下情况：
①核0从主存中读取数据a到核0的缓存，同时核3也做了同样的事情
②核0修改了数据a，修改后的a写入了核0的缓存， 但是没有写回主存
③核3使用数据的时候，使用的是旧的a，出现问题
Cpu厂商：当一个CPU修改缓存中的字节时，服务器中其他CPU会被通知，它们的缓存将视为无效。于是，在上面的情况下，核3发现自己的缓存中数据已无效，核0将立即把自己的数据写回主存，然后核3重新读取该数据。
lock指令的操作：
有volatile变量修饰的共享变量，进行写操作时，会多出一个lock代码，而该lock前缀在多核处理器下会引发两件事情。
①将当前处理器缓存行的数据写回系统内存
②写回操作使得在其他cpu缓存的该内存地址无效。
将当前处理器缓存行的数据写回系统内存
在修改内存操作时，使用LOCK前缀去调用加锁的读-修改-写操作
（1）在Pentium和早期的IA-32处理器中，LOCK前缀会使处理器执行当前指令时产生一个LOCK#信号，这种总是引起显式总线锁定出现
（2）在Pentium4、Inter Xeon和P6系列处理器中，如果内存访问有高速缓存且只影响一个单独的高速缓存行，那么操作中就会调用高速缓存锁，而系统总线和系统内存中的实际区域内不会被锁定。如果内存访问没有高速缓存且/或它跨越了高速缓存行的边界，那么这个处理器就会产生LOCK#信号，独占总线锁。由于在指令执行期间该缓存行会一直被锁定，其它处理器无法读/写该指令要访问的内存区域，因此能保证指令执行的原子性。这个操作过程叫做缓存锁定（cache locking）
写回操作使得在其他cpu缓存的该内存地址无效
多核处理器系统中进行写操作的时候，处理器能够嗅探到其他处理器正在访问系统内存和它们的内部缓存。嗅探技术能够保证它的内部缓存、系统内存和其他处理器的缓存的数据在总线上一致，即检测到其他处理器正在写内存地址，就会将自己的相关缓存行失效，重新从系统内存中把数据读到处理器缓存。
从lock回看volatile
工作内存Work Memory其实就是对CPU寄存器和高速缓存的抽象，或者说每个线程的工作内存也可以简单理解为CPU寄存器和高速缓存。
那么当写两条线程Thread-A与Thread-B同时操作主存中的一个volatile变量i时，Thread-A写了变量i，那么：
- Thread-A发出LOCK#指令
- 发出的LOCK#指令锁总线（或锁缓存行），Thread-A向主存回写最新修改的i，同时让Thread-B高速缓存中的缓存行内容失效
Thread-B读取变量i，那么：
Thread-B发现对应地址的缓存行被锁了，等待锁的释放，等到ThreadA写入操作结束，释放锁，缓存一致性协议会保证它读取到最新的主存值。
- 禁止指令重排
①基本概念：
指令重排序是JVM为了优化指令、提高程序运行效率，在不影响单线程程序执行结果的前提下，尽可能地提高并行度，指令重排包括编译时重排序和运行时重排序。
例如：
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double r = 2.1; //(1) double pi= 3.14; //(2) double area = p * r * r; //(3) |
虽然代码语句的定义顺序为1-2-3，但是计算顺序1-2-3与2-1-3对结果并没有影响，所以编译时和运行时可以根据需要对1,2语句进行重排序
②指令重排带来的问题
如果一个操作不是原子的，就会给JVM留下重拍的机会
例如：
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Thread1{ sum = count(); inited = true; } Thread2{ If(inited){ func(sum); } } |
如果Thread1中的指令发生重排，那么Thread2中可能拿到一个未被初始化或者初始化未完成的sum变量，从而引发程序错误
Volatile在双重检查加锁（DCL）的单例中的使用
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public class Singleton { public static volatile Singleton singleton; /** * 构造函数私有，禁止外部实例化 */ private Singleton() {}; public static Singleton getInstance() { if (singleton == null) { synchronized (singleton) { if (singleton == null) { singleton = new Singleton(); } } } return singleton; } }
实例化一个对象其实可以分为三个步骤： （1）分配内存空间。 （2）初始化对象。 （3）将内存空间的地址赋值给对应的引用。 但是由于操作系统可以对指令进行重排序，所以上面的过程也可能会变成如下过程： （1）分配内存空间。 （2）将内存空间的地址赋值给对应的引用。 （3）初始化对象 如果是这个流程，多线程环境下就可能将一个未初始化的对象引用暴露出来，从而导致不可预料的结果。因此，为了防止这个过程的重排序，我们需要将变量设置为volatile类型的变量。
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③禁止指令重排的原理
volatile关键字提供内存屏障的方式来防止指令被重排，编译器在生成字节码文件时，会在指令序列中插入内存屏障来禁止特定类型的处理器重排序。
- 适用场景
（1）volatile是轻量级同步机制。在访问volatile变量时不会执行加锁操作，因此也就不会使执行线程阻塞，是一种比synchronized关键字更轻量级的同步机制。
（2）volatile**无法同时保证内存可见性和原子性。加锁机制既可以确保可见性又可以确保原子性，而volatile变量只能确保可见性**。
（3）volatile不能修饰写入操作依赖当前值的变量。声明为volatile的简单变量如果当前值与该变量以前的值相关，那么volatile关键字不起作用，也就是说如下的表达式都不是原子操作：“count++”、“count = count+1”。
（4）当要访问的变量已在synchronized代码块中，或者为常量时，没必要使用volatile；
（5）volatile屏蔽掉了JVM中必要的代码优化，所以在效率上比较低，因此一定在必要时才使用此关键字。
- Volatile的线程安全性
下面用i++的例子进行分析，再讲线程安全之前，理解一下i=i++的内存执行过程
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2 public static void main(String[] args){ 3 int i = 234; 4 i = i++; |
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} 编译后的字节码文件 0: sipush 234//将常量234压入操作数栈 3: istore_1//将操作数栈出栈，值赋值给局部变量区的1号位置即i 4: iload_1//然后将变量1的i的值，压入操作数栈 5: iinc 1, 1//将局部变量区的一号变量i数值上加1 8: istore_1//将操作数栈出栈，值赋值给局部变量区的1号位置
使用局部变量区和操作数栈进行分析 局部变量区
操作数栈
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所以i=i++的值是不会发生变化的。
Volatile只能保证变量的可见性，无法保证对变量的操作的原子性。
i++的执行过程其实包含三个步骤
①从内存中读取i当前的值
②局部变量区变量i加1
③把修改后的值刷新到内存中
这三个步骤不是原子性操作，volatile只能保证步骤一和步骤三的改变立即可见，但是无法决定步骤二，当多线程同时执行的时候，所出现的交叉修改，所以无法保证线程安全性。