不惑JAVA之JAVA基础 - volatile

volatile在多线程并发中用途非常广，原因是它有两个特性：

1. 保证了不同线程对这个变量进行操作时的可见性，即一个线程修改了某个变量的值，这新值对其他线程来说是立即可见的。
2. 禁止进行指令重排序。

内存模型的相关概念

要想弄明白volatile的原理，先需要知道内存模型的一些概念。

计算机在执行程序时，每条指令都是在CPU中执行的，而执行指令过程中，势必涉及到数据的读取和写入。由于程序运行过程中的临时数据是存放在主存（物理内存）当中的，这时就存在一个问题，由于CPU执行速度很快，而从内存读取数据和向内存写入数据的过程跟CPU执行指令的速度比起来要慢的多，因此如果任何时候对数据的操作都要通过和内存的交互来进行，会大大降低指令执行的速度。因此在CPU里面就有了高速缓存。

也就是，当程序在运行过程中，会将运算需要的数据从主存复制一份到CPU的高速缓存当中，那么CPU进行计算时就可以直接从它的高速缓存读取数据和向其中写入数据，当运算结束之后，再将高速缓存中的数据刷新到主存当中。举个简单的例子，比如下面的这段代码：

count = count + 1;

当线程执行这个语句时，会先从主存当中读取i的值，然后复制一份到高速缓存当中，然后CPU执行指令对i进行加1操作，然后将数据写入高速缓存，最后将高速缓存中i最新的值刷新到主存当中。

这个代码在单线程中运行是没有任何问题的，但是在多线程中运行就会有问题了。在多核CPU中，每条线程可能运行于不同的CPU中，因此每个线程运行时有自己的高速缓存（对单核CPU来说，其实也会出现这种问题，只不过是以线程调度的形式来分别执行的）。

为了解决缓存不一致性问题，通常来说有以下2种解决方法：

1. 通过在总线加LOCK#锁的方式
2. 通过缓存一致性协议

这2种方式都是硬件层面上提供的方式。

在早期的CPU当中，是通过在总线上加LOCK#锁的形式来解决缓存不一致的问题。因为CPU和其他部件进行通信都是通过总线来进行的，如果对总线加LOCK#锁的话，也就是说阻塞了其他CPU对其他部件访问（如内存），从而使得只能有一个CPU能使用这个变量的内存。比如上面例子中 如果一个线程在执行 i = i +1，如果在执行这段代码的过程中，在总线上发出了LCOK#锁的信号，那么只有等待这段代码完全执行完毕之后，其他CPU才能从变量i所在的内存读取变量，然后进行相应的操作。这样就解决了缓存不一致的问题。

但是上面的方式会有一个问题，由于在锁住总线期间，其他CPU无法访问内存，导致效率低下。

所以就出现了缓存一致性协议。最出名的就是Intel 的MESI协议，MESI协议保证了每个缓存中使用的共享变量的副本是一致的。它核心的思想是：当CPU写数据时，如果发现操作的变量是共享变量，即在其他CPU中也存在该变量的副本，会发出信号通知其他CPU将该变量的缓存行置为无效状态，因此当其他CPU需要读取这个变量时，发现自己缓存中缓存该变量的缓存行是无效的，那么它就会从内存重新读取。

并发编程中的三个概念

1. 原子性，即一个操作或者多个操作 要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断，要么就都不执行；
2. 可见性，指当多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了这个变量的值，其他线程能够立即看得到修改的值；
3. 有序性，即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。

对于有序性，这里就涉及到一个知识点指令重排序。

指令重排序

什么是指令重排序呢？简单的说：假设代码有两条语句，代码顺序是语句1先于语句2执行；那么只要语句2不依赖于语句1的结果，打乱它们的顺序对最终的结果没有影响的话，那么真正交给CPU去执行时，他们的顺序可以是没有限制的。

int a = 10;    //语句1
int r = 2;    //语句2
a = a + 3;    //语句3
r = a*a;     //语句4

简单的理解就是，可以允许语句2先于语句1被CPU执行，和代码中的顺序不一致。有的时候我们也需要防止指令重排序，所有就有了Happens-before原则。

Happens-before原则

先来看个多线程代码：

public class Test1 { 
    private int a=1, b=2; 
    public void foo(){ // 线程1 
        a=3; 
        b=4; 
    } 

    public int getA(){ // 线程2 
        return a; 
    } 
    public int getB(){ // 线程2 
        return b; 
    } 
}

上面的代码，当线程1执行foo方法的时候，线程2访问getA和getB会得到什么样的结果？
答案：
A：a=1, b=2 // 都未改变
B：a=3, b=4 // 都改变了
C：a=3, b=2 // a改变了，b未改变
D：a=1, b=4 // b改变了，a未改变
上面的A,B,C都好理解，但是D可能会出乎一些人的预料。
这是一个多线程之间内存可见性（Visibility）顺序不一致的问题。有两种可能会造成上面的D选项。

1. Java编译器的重排序(Reording)操作有可能导致执行顺序和代码顺序不一致；
2. 从线程工作内存写回主存时顺序无法保证。

JMM中一个重要问题就是：如何让多线程之间，对象的状态对于各线程的“可视性”是顺序一致的。它的解决方式就是 Happens-before 规则：
JMM为所有程序内部动作定义了一个偏序关系，叫做happens-before。要想保证执行动作B的线程看到动作A的结果（无论A和B是否发生在同一个线程中），A和B之间就必须满足happens-before关系。

我们现在来看一下“Happens-before”规则都有哪些（摘自《Java并发编程实践》）：

① 程序次序法则：线程中的每个动作A都happens-before于该线程中的每一个动作B，其中，在程序中，所有的动作B都能出现在A之后。
② 监视器锁法则：对一个监视器锁的解锁 happens-before于每一个后续对同一监视器锁的加锁。
③ volatile变量法则：对volatile域的写入操作happens-before于每一个后续对同一个域的读写操作。
④ 线程启动法则：在一个线程里，对Thread.start的调用会happens-before于每个启动线程的动作。
⑤ 线程终结法则：线程中的任何动作都happens-before于其他线程检测到这个线程已经终结、或者从Thread.join调用中成功返回，或Thread.isAlive返回false。
⑥ 中断法则：一个线程调用另一个线程的interrupt happens-before于被中断的线程发现中断。
⑦ 终结法则：一个对象的构造函数的结束happens-before于这个对象finalizer的开始。
⑧ 传递性：如果A happens-before于B，且B happens-before于C，则A happens-before于C

在Java5之前，JMM对Volatile的定义是：保证读写volatile都直接发生在main memory中，线程的working memory不进行缓存。它只承诺了读和写过程的可见性，并没有对Reording做限制，所以旧的Volatile并不太可靠。在Java5之后，JMM对volatile的语义进行了增强。就是我们看到的③ volatile变量法则。
那对于“原子化操作”怎么理解呢？看下面例子：

private static volatile int nextSerialNum = 0;

public static int generateSerialNumber(){
    return nextSerialNum++;
}

上面代码中对nextSerialNum使用了volatile来修饰，根据前面“Happens-Before”法则的第三条Volatile变量法则，看似不同线程都会得到一个新的serialNumber
问题出在了 nextSerialNum++ 这条语句上，它不是一个原子化的，实际上是read-modify-write三项操作，这就有可能使得在线程1在write之前，线程2也访问到了nextSerialNum，造成了线程1和线程2得到一样的serialNumber。
所以，在使用Volatile时，需要注意

• 不需要互斥；
• 对象状态的改变是不是原子化的。

volatile的原理和实现机制

下面我们来探讨一下volatile到底如何保证可见性和禁止指令重排序的。

　　下面这段话摘自《深入理解Java虚拟机》：

“观察加入volatile关键字和没有加入volatile关键字时所生成的汇编代码发现，加入volatile关键字时，会多出一个lock前缀指令”

　　lock前缀指令实际上相当于一个内存屏障（也成内存栅栏），内存屏障会提供3个功能：

1. 它确保指令重排序时不会把其后面的指令排到内存屏障之前的位置，也不会把前面的指令排到内存屏障的后面；即在执行到内存屏障这句指令时，在它前面的操作已经全部完成；
2. 它会强制将对缓存的修改操作立即写入主存；
3. 如果是写操作，它会导致其他CPU中对应的缓存行无效。

volatile的应用场景
有兴趣的可以看一下Java 理论与实践: 正确使用 Volatile 变量，这里就不多介绍了。
后期在介绍ConcurrentHashMap时，会了解到volatile在里面的作用。

参考：
Java并发编程：volatile关键字解析
java中volatile关键字的含义
深入理解Java内存模型（四）——volatile
聊聊并发（一）深入分析Volatile的实现原理
ConcurrentHashMap