Java中 volatile的使用和理解

簡介

Volatile 是 Java 虛擬機提供輕量級的同步機制。它有三個特性:

• 保證可見性
• 不保證原子性
• 禁止指令重排

基本原理

當對非volatile變量進行讀寫的時候，每一個線程先從主內存拷貝變量到CPU緩存中，若是計算機有多個CPU，每一個線程可能在不一樣的CPU上被處理，這意味着每一個線程能夠拷貝到不一樣的CPU cache中。
  volatile共享變量則會在修改以後當即刷新到內存中，並使其餘CPU中的變量失效，使得其餘CPU使用時必須從內存中從新加載。（這就保證了可見性）

在volatile修飾的共享變量在進行寫操做的時候會多出來一行彙編代碼，這一行彙編代碼在多核處理器下會引起兩件事情：

1. 將當前處理器緩存行的數據寫回到系統內存。
2. 這個寫回操做會使在其餘CPU裏緩存了該內存地址的數據無效。

禁止指令重排

  指令重排序是JVM爲了優化指令、提升程序運行效率，在不影響單線程程序執行結果的前提下，儘量地提升並行度。指令重排序包括編譯器重排序和運行時重排序。
  在JDK1.5以後，可使用volatile變量禁止指令重排序。針對volatile修飾的變量，在讀寫操做指令先後會插入內存屏障，指令重排序時不能把後面的指令重排序到內存屏

爲何volatile不能保證原子性

首先須要瞭解的是，Java中只有對基本類型變量的賦值和讀取是原子操做，如i = 1的賦值操做，可是像j = i或者i++這樣的操做都不是原子操做，由於他們都進行了屢次原子操做，好比先讀取i的值，再將i的值賦值給j，兩個原子操做加起來就不是原子操做了。

因此，若是一個變量被volatile修飾了，那麼確定能夠保證每次讀取這個變量值的時候獲得的值是最新的，可是一旦須要對變量進行自增這樣的非原子操做，就不會保證這個變量的原子性了。

舉個栗子:

一個變量i被volatile修飾，兩個線程想對這個變量修改，都對其進行自增操做也就是i++，i++的過程能夠分爲三步，首先獲取i的值，其次對i的值進行加1，最後將獲得的新值寫會到緩存中。
線程A首先獲得了i的初始值100，可是還沒來得及修改，就阻塞了，這時線程B開始了，它也獲得了i的值，因爲i的值未被修改，即便是被volatile修飾，主存的變量還沒變化，那麼線程B獲得的值也是100，以後對其進行加1操做，獲得101後，將新值寫入到緩存中，再刷入主存中。根據可見性的原則，這個主存的值能夠被其餘線程可見。
問題來了，線程A已經讀取到了i的值爲100，也就是說讀取的這個原子操做已經結束了，因此這個可見性來的有點晚，線程A阻塞結束後，繼續將100這個值加1，獲得101，再將值寫到緩存，最後刷入主存，因此即使是volatile具備可見性，也不能保證對它修飾的變量具備原子性。

JMM Java內存模型

JMM ： Java內存模型，不存在的東西，概念！約定！

關於JMM的一些同步的約定：

• 一、線程解鎖前，必須把共享變量馬上刷回主存。
• 二、線程加鎖前，必須讀取主存中的最新值到工做內存中！
• 三、加鎖和解鎖是同一把鎖

內存交互操做有8種，虛擬機實現必須保證每個操做都是原子的，不可在分的（對於double和long類型的變量來講，load、store、read和write操做在某些平臺上容許例外）

• lock （鎖定）：做用於主內存的變量，把一個變量標識爲線程獨佔狀態
• unlock （解鎖）：做用於主內存的變量，它把一個處於鎖定狀態的變量釋放出來，釋放後的變量才能夠被其餘線程鎖定
• read （讀取）：做用於主內存變量，它把一個變量的值從主內存傳輸到線程的工做內存中，以便隨後的load動做使用
• load （載入）：做用於工做內存的變量，它把read操做從主存中變量放入工做內存中
• use （使用）：做用於工做內存中的變量，它把工做內存中的變量傳輸給執行引擎，每當虛擬機遇到一個須要使用到變量的值，就會使用到這個指令
• assign （賦值）：做用於工做內存中的變量，它把一個從執行引擎中接受到的值放入工做內存的變量副本中
• store （存儲）：做用於主內存中的變量，它把一個從工做內存中一個變量的值傳送到主內存中，以便後續的write使用
• write （寫入）：做用於主內存中的變量，它把store操做從工做內存中獲得的變量的值放入主內存的變量中

JMM對這八種指令的使用，制定了以下規則：

• 不容許read和load、store和write操做之一單獨出現。即便用了read必須load，使用了store必須write
• 不容許線程丟棄他最近的assign操做，即工做變量的數據改變了以後，必須告知主存
• 不容許一個線程將沒有assign的數據從工做內存同步回主內存
• 一個新的變量必須在主內存中誕生，不容許工做內存直接使用一個未被初始化的變量。就是懟變量實施use、store操做以前，必須通過assign和load操做
• 一個變量同一時間只有一個線程能對其進行lock。屢次lock後，必須執行相同次數的unlock才能解鎖
• 若是對一個變量進行lock操做，會清空全部工做內存中此變量的值，在執行引擎使用這個變量前，必須從新load或assign操做初始化變量的值
• 若是一個變量沒有被lock，就不能對其進行unlock操做。也不能unlock一個被其餘線程鎖住的變量
• 對一個變量進行unlock操做以前，必須把此變量同步回主內存

參考

volatile的原理