volatile深刻理解

參考網頁

http://www.javashuo.com/article/p-hsugcpqq-hw.html

https://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-jtp06197.html

https://blog.csdn.net/dl88250/article/details/5439024

http://www.infoq.com/cn/articles/double-checked-locking-with-delay-initialization

volatile存在的意義——一些背景知識

共享變量--能夠被多個線程訪問的變量

能夠被多個線程訪問的變量稱爲共享變量。

多線程場景下討論共享變量纔有意義。

多線程場景能夠是多CPU，也能夠是單個CPU，只很少單個CPU是以線程調度的形式執行的多線程。

CPU高速緩存的引入

【CPU從內存讀取數據的速度】和【CPU向內存寫入數據速度】比【CPU執行指令的速度】要慢不少，所以若是任什麼時候候CPU對數據的操做都要經過和內存的交互來進行，會大大下降CPU指令執行的速度。所以在CPU裏面就有了【高速緩存】。

程序運行時，會將運算須要的數據從主存複製一份到CPU的高速緩存當中，那麼CPU進行計算時就能夠直接從它的高速緩存讀取數據和向其中寫入數據，當運算結束以後，再將高速緩存中的數據刷新到主存當中。

volatile存在的意義——併發場景（多線程場景）下的問題

緩存一致性問題

緩存一致性問題的產生--【多線程】場景下的【共享變量】存儲在【CPU高速緩存】，【由於各個線程的操做致使各個共享變量副本不一致】，這就是緩存一致性問題

共享變量在多個CPU的高速緩存中存在副本（通常在多線程編程時纔會出現），多個線程同一時間段內對共享變量進行操做，就可能存在緩存一致性問題。

緩存一致性問題的解決方案

一般來講有如下2種解決方法：

1）總線加LOCK#鎖

2）緩存一致性協議

這2種方式都是硬件層面上提供的方式。

CPU指令重排序

單線程下保證重排序後的最終執行結果和代碼順序執行的結果是一致的

通常來講，處理器爲了提升程序運行效率，可能會對輸入代碼進行優化，它不保證程序中各個語句的執行前後順序同代碼中的順序一致，可是它會保證程序最終執行結果和代碼順序執行的結果是一致的。

重排序時會考慮指令之間的數據依賴性

處理器在進行重排序時會考慮指令之間的數據依賴性，若是一個指令Instruction 2必須用到Instruction 1的結果，那麼處理器會保證Instruction 1會在Instruction 2以前執行。

指令重排序不會影響單個線程的執行，可是會影響到併發線程執行的正確性

CPU指令重排序產生問題的緣由--【多線程場景】下【對共享變量操做】的協調

硬件層面上CPU爲了提高自身執行性能對指令進行了優化和重排序。

多線程場景下CPU指令重排序可能會影響併發程序的執行，致使問題的根本緣由仍是【多線程場景】下【對共享變量操做】的協調上產生了問題。如何協調好？這個要依據具體的業務場景。volatile能夠禁止指令重排序，在須要禁止指令重排序時可使用volatile。

說明volatile，爲啥要提【緩存一致性問題】和【CPU指令重排序】？

【緩存一致性問題】和【CPU指令重排序】實際上對應的是併發編程中的【可見性】和【有序性】的問題。後面能夠看到，volatile實際上就能夠解決併發編程時【可見性】和【有序性】的問題。

後面會講到，併發編程涉及【原子性】、【可見性】和【有序性】三方面的問題，只有三方面的問題都能解決，才能保證併發程序正確執行。

volatile能夠解決【可見性】和【有序性】的問題，可是沒法解決【原子性】的問題。volatile能解決的問題也決定了volatile的應用場景。

併發編程須要知足操做的原子性、可見性和有序性【都是爲了正確操做共享變量】

原子性

就是要保證對一個事務要進行【完整的】、【不可中斷】的操做。

何爲事務？事務包括一個操做或者多個操做。一個事務所包含的全部操做，要麼所有執行而且執行的過程不會被任何因素打斷，要麼就都不執行。

可見性

多個線程的共享變量。當一個線程對共享變量修改時，其餘線程可以當即看獲得修改的值。

緩存一致性問題就致使共享變量的可見性出現問題。也就是說多CPU下各個CPU高速緩存中共享變量的副本不一致，就會致使各個CPU見到的共享變量不一致，這樣共享變量的可見性就出了問題。

有序性

有序性：即程序執行的順序按照代碼的前後順序執行。

由於CPU會對指令進行重排序，因此最終的指令執行順序在CPU硬件層面不必定嚴格按照java代碼層面的順序執行。

考慮單線程和多線程兩種情形。單線程下CPU指令重排序可是仍能保證指令邏輯順序的正確性。

可是多線程下，因爲共享變量的存在，可能致使不可預知的、不可預期的、引發混亂的問題。

這就要求程序員理解這些，並採用技術手段保證多線程下程序仍可按照正確的邏輯運行。

★總結【併發程序正確執行的條件】

要想併發程序正確地執行，必需要保證原子性、可見性以及有序性。只要有一個沒有被保證，就有可能會致使併發程序運行不正確。

volatile關鍵字--保證可見性和有序性，可是沒法保證原子性

volatile關鍵字的兩層語義：簡單來講就是volatile保證了可見性和有序性

一旦一個共享變量（類的成員變量、類的靜態成員變量）被volatile修飾以後，那麼就具有了兩層語義：

1）保證了不一樣線程對這個變量進行操做時的可見性，即一個線程修改了某個變量的值，這新值對其餘線程來講是當即可見的。

2）禁止進行指令重排序。

volatile保證原子性嗎

http://www.javashuo.com/article/p-glkohnan-dq.html

volatile能保證有序性嗎--內存屏障，禁止指令重排序

在前面提到volatile關鍵字能禁止指令重排序，因此volatile能在必定程度上保證有序性。

volatile關鍵字禁止指令重排序有兩層意思：

1）當程序執行到volatile變量的讀操做或者寫操做時，在其前面的操做的更改確定所有已經進行，且結果已經對後面的操做可見；在其後面的操做確定尚未進行；

2）在進行指令優化時，不能將在對volatile變量訪問的語句放在其後面執行，也不能把volatile變量後面的語句放到其前面執行。

★volatile的原理和實現機制

前面講述了源於volatile關鍵字的一些使用，下面咱們來探討一下volatile到底如何保證可見性和禁止指令重排序的。

下面這段話摘自《深刻理解Java虛擬機》：

「觀察加入volatile關鍵字和沒有加入volatile關鍵字時所生成的彙編代碼發現，加入volatile關鍵字時，會多出一個lock前綴指令」

lock前綴指令實際上至關於一個內存屏障（也成內存柵欄），內存屏障會提供3個功能：

1）它確保指令重排序時不會把其後面的指令排到內存屏障以前的位置，也不會把前面的指令排到內存屏障的後面；即在執行到內存屏障這句指令時，在它前面的操做已經所有完成；禁止指令重排序

2）它會強制將對緩存的修改操做當即寫入主存；

3）若是是寫操做，它會致使其餘CPU中對應的緩存行無效。

volatile的使用

使用volatile必須具有如下2個條件

http://www.javashuo.com/article/p-bdtfcxtz-du.html

volatile使用場景

狀態標記量

Double check

http://www.javashuo.com/article/p-pkrakqzd-dw.html

volatile與synchronized使用比較

http://www.javashuo.com/article/p-ejcmrhac-mn.html