并发系列之volatile关键字

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基本概念

可见性
可见性是一种复杂的属性，因为可见性中的错误总是会违背我们的直觉。通常，我们无法确保执行读操作的线程能适时地看到其他线程写入的值，有时甚至是根本不可能的事情。为了确保多个线程之间对内存写入操作的可见性，必须使用同步机制。

可见性，是线程之间的可见性，一个线程修改的状态对另一个线程是可见的。也就是一个线程修改的结果，另一个线程能马上就能看到。比如：用volatile修饰的变量，就会具有可见性。volatile修饰的变量不允许线程内部缓存和重排序，即直接修改内存，所以对其他线程是可见的。但是这里需要注意一个问题，volatile只能让被他修饰的内容具有可见性，但不能保证它具有原子性。比如 volatile int a = 0；之后有一个操作 a++；这个变量a具有可见性，但是a++ 依然是一个非原子操作，也就是这个操作同样存在线程安全问题。

　 在 Java 中 volatile、synchronized 和 final 实现可见性。

原子性
原子时世界上的最小单位，具有不可分割性。比如 a=0；（a非long和double类型） 这个操作是不可分割的，那么我们说这个操作时原子操作。再比如：a++； 这个操作实际是a = a + 1；是可分割的，所以他不是一个原子操作。非原子操作都会存在线程安全问题，需要我们使用同步技术（sychronized）来让它变成一个原子操作。一个操作是原子操作，那么我们称它具有原子性。java的concurrent包下提供了一些原子类，我们可以通过阅读API来了解这些原子类的用法。比如：AtomicInteger、AtomicLong、AtomicReference等。

在 Java 中 synchronized 和在 lock、unlock 中操作保证原子性。
有序性：

Java 语言提供了 volatile 和 synchronized 两个关键字来保证线程之间操作的有序性，volatile 是因为其本身包含“禁止指令重排序”的语义，synchronized 是由“一个变量在同一个时刻只允许一条线程对其进行 lock 操作”这条规则获得的，此规则决定了持有同一个对象锁的两个同步块只能串行执行。

什么是重排序？
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int i = 0;              
boolean flag = false;
i = 1;                //语句1  
flag = true;          //语句2

上面代码定义了一个int型变量，定义了一个boolean类型变量，然后分别对两个变量进行赋值操作。从代码顺序上看，语句1是在语句2前面的，那么JVM在真正执行这段代码的时候会保证语句1一定会在语句2前面执行吗？不一定，为什么呢？这里可能会发生指令重排序。

一般来说，处理器为了提高程序的运行效率，可能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的执行结果和代码顺序执行的结果是一致的。

但是要注意，虽然处理器会对指令进行重排序，但是它会保证程序最终结果会和代码顺序执行结果相同，那么它靠什么保证的呢？再看下面一个例子：

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

那么可不可能是这个执行顺序呢： 语句2 语句1 语句4 语句3

不可能，因为处理器在进行重排序时是会考虑指令之间的数据依赖性，如果一个指令Instruction 2必须用到Instruction 1的结果，那么处理器会保证Instruction 1会在Instruction 2之前执行。

虽然重排序不会影响单个线程内程序执行的结果，但是多线程情况下就不能保证了。

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//线程1:
 
context = loadContext();   //语句1
inited = true;             //语句2
 
 //线程2:
while(!inited ){
   sleep()
}
doSomethingwithconfig(context);

上面代码中，由于语句1和语句2没有数据依赖性，因此可能会被重排序。假如发生了重排序，在线程1执行过程中先执行语句2，而此是线程2会以为初始化工作已经完成，那么就会跳出while循环，去执行doSomethingwithconfig(context)方法，而此时context并没有被初始化，就会导致程序出错。

从上面可以看出，指令重排序不会影响单个线程的执行，但是会影响到线程并发执行的正确性。

也就是说，要想并发程序正确地执行，必须要保证原子性、可见性以及有序性。只要有一个没有被保证，就有可能会导致程序运行不正确。

下面一段代码在多线程环境下，将存在问题。

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public class NoVisibility {
    private static boolean ready;
    private static int number;
    private static class ReaderThread extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            while(!ready) {
                Thread.yield();
            }
            System.out.println(number);
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        new ReaderThread().start();
        number = 42;
        ready = true;
    }
}
NoVisibility可能会持续循环下去，因为读线程可能永远都看不到ready的值。甚至NoVisibility可能会输出0，因为读线程可能看到了写入ready的值，但却没有看到之后写入number的值，这种现象被称为“重排序”。只要在某个线程中无法检测到重排序情况（即使在其他线程中可以明显地看到该线程中的重排序），那么就无法确保线程中的操作将按照程序中指定的顺序来执行。当主线程首先写入number，然后在没有同步的情况下写入ready，那么读线程看到的顺序可能与写入的顺序完全相反。

　　在没有同步的情况下，编译器、处理器以及运行时等都可能对操作的执行顺序进行一些意想不到的调整。在缺乏足够同步的多线程程序中，要想对内存操作的执行春旭进行判断，无法得到正确的结论。

　　这个看上去像是一个失败的设计，但却能使JVM充分地利用现代多核处理器的强大性能。例如，在缺少同步的情况下，Java内存模型允许编译器对操作顺序进行重排序，并将数值缓存在寄存器中。此外，它还允许CPU对操作顺序进行重排序，并将数值缓存在处理器特定的缓存中。

Volatile变量

Java语言提供了一种稍弱的同步机制，即volatile变量，用来确保将变量的更新操作通知到其他线程。当把变量声明为volatile类型后，编译器与运行时都会注意到这个变量是共享的，**因此不会将该变量上的操作与其他内存操作一起重排序**。volatile变量不会被缓存在寄存器或者对其他处理器不可见的地方，因此在读取volatile类型的变量时总会返回最新写入的值。

**而声明变量是 volatile 的，JVM 保证了每次读变量都从内存中读，跳过 CPU cache 这一步。**

　　在访问volatile变量时不会执行加锁操作，因此也就不会使执行线程阻塞，因此volatile变量是一种比sychronized关键字更轻量级的同步机制。

当一个变量定义为 volatile 之后，将具备两种特性：

　　1.保证此变量对所有的线程的可见性，这里的“可见性”，如本文开头所述，当一个线程修改了这个变量的值，volatile 保证了新值能立即同步到主内存，以及每次使用前立即从主内存刷新。但普通变量做不到这点，普通变量的值在线程间传递均需要通过主内存（详见：Java内存模型）来完成。

　　2.禁止指令重排序优化。有volatile修饰的变量，赋值后多执行了一个“load addl $0x0, (%esp)”操作，这个操作相当于一个内存屏障（指令重排序时不能把后面的指令重排序到内存屏障之前的位置），只有一个CPU访问内存时，并不需要内存屏障；（什么是指令重排序：是指CPU采用了允许将多条指令不按程序规定的顺序分开发送给各相应电路单元处理）。

volatile 性能：

　　volatile 的读性能消耗与普通变量几乎相同，但是写操作稍慢，因为它需要在本地代码中插入许多内存屏障指令来保证处理器不发生乱序执行。仅当volatile变量能简化代码的实现以及对同步策略的验证时，才应该使用他们。

下面这个例子是volatile的典型用法，asleep必须为volatile变量，否则，当asleep被另一个被另一个线程修改时，执行判断的线程却发现不了，就会导致错误的发生。
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volatile boolean asleep;
...
	while (!asleep)
		countSomeSheep();
虽然volatile变量很方便，但也存在一些局限性。volatile变量通常用作某个操作的完成，发生中断或者状态的标识。volatile的语义不足以确保递增操作（count++）的原子性，除非你能确保只有一个线程对变量执行写操作。

**加锁机制既可以确保可见性又可以确保原子性，而volatile变量只能确保可见性。**
当且仅当满足以下所有条件时，才应该使用volatile变量：

1：对变量的写入操作不依赖变量的当前值，才应该使用volatile变量

2：该变量不会与其他状态变量一起纳入不变性条件中。

3：在访问变量时不需要加锁。

通过观察volatile变量和普通变量所生成的汇编代码可以发现，操作volatile变量会多出一个lock前缀指令：

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Java代码：
instance = new Singleton();

汇编代码：
0x01a3de1d: movb $0x0,0x1104800(%esi);
0x01a3de24: **lock** addl $0x0,(%esp);

这个lock前缀指令相当于上述的内存屏障，提供了以下保证：
1、将当前CPU缓存行的数据写回到主内存；
2、这个写回内存的操作会导致在其它CPU里缓存了该内存地址的数据无效。

CPU为了提高处理性能，并不直接和内存进行通信，而是将内存的数据读取到内部缓存（L1，L2）再进行操作，但操作完并不能确定何时写回到内存，如果对volatile变量进行写操作，当CPU执行到Lock前缀指令时，会将这个变量所在缓存行的数据写回到内存，不过还是存在一个问题，就算内存的数据是最新的，其它CPU缓存的还是旧值，所以为了保证各个CPU的缓存一致性，每个CPU通过嗅探在总线上传播的数据来检查自己缓存的数据有效性，当发现自己缓存行对应的内存地址的数据被修改，就会将该缓存行设置成无效状态，当CPU读取该变量时，发现所在的缓存行被设置为无效，就会重新从内存中读取数据到缓存中。