voliate关键字原理

大家好，又见面了，我是你们的朋友全栈君。

被volatile修饰的变量在编译成字节码文件时会多个lock指令，该指令在执行过程中会生成相应的内存屏障，以此来解决可见性跟重排序的问题。

预备知识

• 指令重排序
  • 为什么到指令重排序：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，它不保证程序中各个语句的执行先后顺序同代码中的顺序一致，但是它会保证程序最终执行结果和代码顺序执行的结果是一致的。
  • 指令重排序遵守的准则：编译器和处理器在重排序时，会遵守数据依赖性，编译器和处理器不会改变存在数据依赖关系的两个操作的执行顺序。
  • 什么办法来禁止指令重排序呢：添加内存屏障
• 内存屏障
  • 内存屏障分类：内存屏障分为两种：Load Barrier 和 Store Barrier即读屏障和写屏障。
  • 内存屏障作用：
    （1）阻止屏障两侧的指令重排序，即屏障下面的代码不能和屏障上面的代码交换顺序（静止重排序）
    （2）在有内存屏障的地方，线程修改完共享变量以后会马上把该变量从本地内存写回到主内存，并且让其他线程本地内存中该变量副本失效（使用MESI协议）（线程可见性）
    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，其他线程程可见

voliate关键字作用

• 静止重排序： voliate修饰的变量，保证变量赋值操作的顺序与程序代码中的执行顺序一致

• 线程可见性: 当一条线程修改了voliate变量的值，新值对于其他线程来说是可以立即得知的

原理

• volatile关键字修饰的变量会存在一个“lock:”的前缀，Lock不是一种内存屏障，但是它能完成类似内存屏障的功能。Lock会对CPU总线或高速缓存加锁（一般只是对缓存行枷锁），可以理解为CPU指令级的一种锁。
• 在具体的执行上，它先对总线或缓存加锁，然后执行后面的指令，在Lock锁住总线的时候，其他CPU的读写请求都会被阻塞，直到锁释放。最后释放锁后会把高速缓存中的脏数据（修改过的数据）全部刷新回主内存，且这个写回内存的操作会使在其他CPU里缓存了该地址的数据无效。
• 在java内存层面可以理解为：当需要使用（use）这个变量时，必须从主存中read–>load这个变量（即要使用这个变量时，必须从主存中读取这个变量，这就保证了该变量是最新的）；当线程工作内存中这个变量被赋值时（assign），那么立刻store–>write这个变量（即当该值计算完成，立刻把这个变量写会主存，并且使得该值在其他内存的工作变量中无效）

java内存屏障

volatile语义中的内存屏障

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（这个屏障前后的2个Store指令不能交换顺序），在写操作后插入StoreLoad屏障（这个屏障前后的2个Store Load指令不能交换顺序）；
• 在每个volatile读操作前插入LoadLoad屏障（这个屏障前后的2个Load指令不能交换顺序），在读操作后插入LoadStore屏障（这个屏障前后的2个Load Store指令不能交换顺序）；

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。
在Java中对于volatile修饰的变量，编译器在生成字节码时，会在指令序列中插入内存屏障禁止处理器重排序。

举例

两条线程Thread-A与Threab-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
（1）发出的LOCK#指令锁总线（或锁缓存行）（因为它会锁住总线，导致其他CPU不能访问总线，不能访问总线就意味着不能访问系统内存），然后释放锁，最后刷新回主内（瞬间完成的，写回时候其他缓存行失效），同时让Thread-B高速缓存中的缓存行内容失效。
（2）Thread-A向主存回写最新修改的i
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，缓存一致性协议会保证它读取到最新的值（重新从主存读）
由此可以看出，volatile关键字的读和普通变量的读取相比基本没差别，差别主要还是在变量的写操作上。

举例

使用场景

满足以下两点，那么volatile修饰的共享变量，不用加锁也能保证线程安全：

• 运算结果不依赖变量的当前值（即变量计算的结果和当前的值没有关系，比如一个boolean变量的改变，但是i++这种运算就存在依赖关系，以为新值是在旧值的基础上加1），或者能够确保只有单一的线程修改变量的值
• 变量不需要与其他的状态变量共同参与不变性约束（即该变量不和其他变量关联）