volatile-最輕量級的併發實現及其內存語義

原文鏈接：（http://www.studyshare.cn/blog-front/blog/details/1163/0 ）

1、volatile定義

volatile是java併發編程中修飾類的成員變量、成員屬性或者對象的一個關鍵字。是java併發編程中最輕量級的併發實現，保證所修飾的變量對多個線程內存可見。在一個線程寫，多個線程讀的場景下，首選使用volatile關鍵字。

2、使用案例

此處用一個線程安全的單例模式來講明volatile具體的使用場景和原理，首先，線程安全的單例模式是不少面試官都喜歡考察面試者的一個問題，網絡上各類博客都談到餓漢式，懶漢式單例模式的編寫方式，也提到過一個雙重檢查模式的單例模式，雙重檢查單例模式代碼以下：

相信不少人認爲這已是線程安全的單例模式了，然而這真的是線程安全的嗎？其實不是，爲何呢？緣由其實很簡單，若是兩個線程調用getInstance()方法的時候，其中某一個線程正在執行第一重檢查，另一個線程正在執行第二重檢查中的instance = new Singlton()的時候，此時這句實例化的代碼在咱們看來只有一句，但翻譯成cpu能運行的指令的時候會變成三句：（1）給instance分配一個棧指針，（2）給Singlton對象分配堆內存，（3）將棧指針指向堆內存。那麼cpu在作這三步操做的時候執行順序會重排序（cpu按本身的規則從新排序後執行），即執行順序多是（1）（3）（2），那麼問題就來了，當執行（1）後，假如第一個線程正在執行第一重檢查，那麼此時會發現instance並不爲空，就直接返回了。然而實際對象分配堆內存還沒完成，此時就會形成instance只是一個空的指針。當咱們調用Singlton對象中的成員變量時，就會出錯。問題出來了，那麼解決方法很是簡單，就是使用該文章的主題--volatile關鍵字，在咱們對象成員變量上加上volatile便可。

private static volatile Singlton instance ;

3、深刻剖析

要理解透徹volatile的原理須要明白cpu指令重排序、內存屏障以及線程的本地緩存和主內存等相關知識。指令重排序：以上的示例也說明了cpu在執行一條咱們編寫的代碼的時候，首先會編譯成彙編語言，最終編譯成二進制指令後在cpu的寄存器上進行存取並執行。即一條代碼會變成n條指令，cpu執行這n條指令的時候，不會老老實實的按順序進行執行，而是會按必定的規則（多是先簡單後複雜，

先加減後乘除等等）從新排序後執行。這就是指令重排序。重排序的類型有編譯器優化重排序，指令級並行重排序，內存系統重排序。

內存屏障：這是針對併發下重排序帶來的問題的一種解決方案，現代cpu都有的一種內存屏障類型是：StoreLoad Barriers，另外還有三種分別是：LoadLoad Barriers、StoreStore Barriers以及LoadStore Barriers.

線程的本地緩存與主內存：

（1）、每一個線程都會有本身的本地緩存，如上圖所示，線程A，線程B都會有本身的本地緩存，用來緩存線程自己所須要使用的數據。

（2）、正常狀況下，當線程A改變了本身本地緩存中的a變量的值，並不會立刻刷新到主內存，同理，線程B也同樣。

（3）、若是給a變量加上volatile修飾，那麼當線程A改變了本地緩存中a的值後，cpu會強制將線程A的本地緩存中的a變量的值刷新到主內存，即讓主內存的a的值與線程A的本地緩存中的a值一致。且同時讓線程B中的本地緩存中的a失效，那麼當線程B要使用本地緩存中的a變量的時候，會從新到主內存讀取並刷新本身的本地緩存。這就是volatile的內存語義。而後回頭解釋案例中爲什麼加入volatile修飾就保證了真正的線程安全，直接來講就是一句話：volatile修飾的變量在cpu底層執行的時候插入了相關的內存屏障禁止指令進行重排序。具體來講是在volalite寫操做前插入StoreStore屏障，寫操做後面插入StoreLoad屏障，在volatile讀操做的後面連續插入LoadLoad屏障和LoadStore屏障。
總結：volatile關鍵字修飾的變量具備內存可見性，對一個volatile變量的讀，老是能看到（任意線程）對這個變量最後的寫入。volatile的併發實現是利用cpu的lock前綴指令對消息總線進行加鎖，同時讓volatile當前所在線程的本地緩存內容強行刷進主內存，並讓其餘使用了該變量的本地緩存失效，當其餘線程須要使用volatile所修飾的變量的時候就會從新到主內存中讀取。

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