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浅谈 volatile 实现原理

synchronized 是一个重量级的锁，的 volatile 则是轻量级的 synchronized ，它在多线程开发中保证了共享变量的“可见性”。如果一个变量使用 volatile ，则它比使用 synchronized 的成本更加低，因为它不会引起线程上下文的切换和调度。

Java 编程语言允许线程访问共享变量，为了确保共享变量能被准确和一致地更新，线程应该确保通过排他锁单独获得这个变量。通俗点讲就是说一个变量如果用 volatile 修饰了，则 Java 可以确保所有线程看到这个变量的值是一致的。如果某个线程对 volatile 修饰的共享变量进行更新，那么其他线程可以立马看到这个更新，这就是所谓的线程可见性。

内存模型相关概念

理解 volatile 其实还是有点儿难度的，它与 Java 的内存模型有关，所以在理解 volatile 之前我们需要先了解有关 Java 内存模型的概念。

操作系统语义

计算机在运行程序时，每条指令都是在CPU中执行的，在执行过程中势必会涉及到数据的读写。我们知道程序运行的数据是存储在主存中，这时就会有一个问题，读写主存中的数据没有 CPU 中执行指令的速度快，如果任何的交互都需要与主存打交道则会大大影响效率，所以就有了 CPU 高速缓存。CPU高速缓存为某个CPU独有，只与在该CPU运行的线程有关。

有了 CPU 高速缓存虽然解决了效率问题，但是它会带来一个新的问题：数据一致性。

在程序运行中，会将运行所需要的数据复制一份到 CPU 高速缓存中，在进行运算时 CPU 不再也主存打交道，而是直接从高速缓存中读写数据，只有当运行结束后，才会将数据刷新到主存中。

举一个简单的例子：

i = i + 1;
复制代码

当线程运行这段代码时，首先会从主存中读取 i 的值( 假设此时 i = 1 )，然后复制一份到 CPU 高速缓存中，然后 CPU 执行 + 1 的操作（此时 i = 2），然后将数据 i = 2 写入到告诉缓存中，最后刷新到主存中。

其实这样做在单线程中是没有问题的，有问题的是在多线程中。如下：

假如有两个线程 A、B 都执行这个操作（ i++ ），
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按照我们正常的逻辑思维主存中的i值应该=3 。

但事实是这样么？分析如下：

两个线程从主存中读取 i 的值( 假设此时 i = 1 )，到各自的高速缓存中，
然后线程 A 执行 +1 操作并将结果写入高速缓存中，最后写入主存中，此时主存 i = 2 。
线程B做同样的操作，主存中的 i 仍然 =2 。所以最终结果为 2 并不是 3 。
这种现象就是缓存一致性问题。
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解决缓存一致性方案有两种：

通过在总线加 LOCK# 锁的方式
通过缓存一致性协议
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第一种方案存在一个问题，它是采用一种独占的方式来实现的，即总线加 LOCK# 锁的话，只能有一个 CPU 能够运行，其他 CPU 都得阻塞，效率较为低下。

第二种方案，缓存一致性协议（MESI 协议），它确保每个缓存中使用的共享变量的副本是一致的。其核心思想如下：当某个 CPU 在写数据时，如果发现操作的变量是共享变量，则会通知其他 CPU 告知该变量的缓存行是无效的，因此其他 CPU 在读取该变量时，发现其无效会重新从主存中加载数据。

Java内存模型

上面从操作系统层次阐述了如何保证数据一致性，下面我们来看一下 Java 内存模型，稍微研究一下它为我们提供了哪些保证，以及在 Java 中提供了哪些方法和机制，来让我们在进行多线程编程时能够保证程序执行的正确性。

在并发编程中我们一般都会遇到这三个基本概念：原子性、可见性、有序性。我们看下volatile 。

原子性

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。

原子性就像数据库里面的事务一样,我们看下面一个简单的例子即可：

i = 0;  // <1>
j = i ;  // <2>
i++;  // <3>
i = j + 1; // <4>
复制代码

上面四个操作，有哪个几个是原子操作，那几个不是？如果不是很理解，可能会认为都是原子性操作，其实只有 1 才是原子操作，其余均不是。

在 Java 中，对基本数据类型的变量和赋值操作都是原子性操作。
包含了两个操作：读取 i，将 i 值赋值给 j 。
包含了三个操作：读取 i 值、i + 1 、将 +1 结果赋值给 i 。
同 <3> 一样

那么 64 位的 JDK 环境下，对 64 位数据的读写是否是原子的呢？

实现对普通long与double的读写不要求是原子的（但如果实现为原子操作也OK）
实现对volatile long与volatile double的读写必须是原子的（没有选择余地）
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另外，volatile 是无法保证复合操作的原子性

可见性

可见性是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。

在上面已经分析了，在多线程环境下，一个线程对共享变量的操作对其他线程是不可见的。

Java提供了 volatile 来保证可见性。

当一个变量被 volatile 修饰后，表示着线程本地内存无效。

当一个线程修改共享变量后他会立即被更新到主内存中；

当其他线程读取共享变量时，它会直接从主内存中读取。

synchronize 和锁都可以保证可见性。

有序性

有序性：即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。

在 Java 内存模型中，为了效率是允许编译器和处理器对指令进行重排序，当然重排序它不会影响单线程的运行结果，但是对多线程会有影响。

Java 提供 volatile 来保证一定的有序性。最著名的例子就是单例模式里面的 DCL（双重检查锁）。

剖析 volatile 原理

volatile 可以保证线程可见性且提供了一定的有序性，但是无法保证原子性。在 JVM 底层，volatile 是采用“内存屏障”来实现的。

上面那段话，有两层语义：

保证可见性、不保证原子性
禁止指令重排序
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第一层语义就不做介绍了，下面重点介绍指令重排序。

指令重排序

在执行程序时为了提高性能，编译器和处理器通常会对指令做重排序：

编译器重排序。编译器在不改变单线程程序语义的前提下，可以重新安排语句的执行顺序。
处理器重排序。如果不存在数据依赖性，处理器可以改变语句对应机器指令的执行顺序。
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指令重排序对单线程没有什么影响，他不会影响程序的运行结果，但是会影响多线程的正确性。既然指令重排序会影响到多线程执行的正确性，那么我们就需要禁止重排序。那么JVM是如何禁止重排序的呢？

由此引出happen-before原则

程序次序规则：一个线程内，按照代码顺序，书写在前面的操作，happens-before 于书写在后面的操作。
锁定规则：一个 unLock 操作，happens-before 于后面对同一个锁的 lock 操作。
volatile 变量规则：对一个volatile变量的写操作，happens-before 于后面对这个变量的读操作。注意是后面的.
传递规则：如果操作 A happens-before 操作 B，而操作 B happens-before 操作C，则可以得出，操作 A happens-before 操作C
线程启动规则：Thread 对象的 start 方法，happens-before 此线程的每个一个动作。
线程中断规则：对线程 interrupt 方法的调用，happens-before 被中断线程的代码检测到中断事件的发生。
线程终结规则：线程中所有的操作，都 happens-before 线程的终止检测，我们可以通过Thread.join() 方法结束、Thread.isAlive() 的返回值手段，检测到线程已经终止执行。
对象终结规则：一个对象的初始化完成，happens-before 它的 finalize() 方法的开始

我们着重看第三点 Volatile规则：对 volatile变量的写操作，happen-before 后续的读操作。

为了实现 volatile 内存语义，JMM会重排序，其规则如下：

当第二个操作是 volatile 写操作时，不管第一个操作是什么，都不能重排序。
这个规则，确保 volatile 写操作之前的操作，都不会被编译器重排序到 volatile 写操作之后。
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对 happen-before 原则有了稍微的了解，我们再来回答这个问题 JVM 是如何禁止重排序的？

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，其实就相当于一个内存屏障。
内存屏障是一组处理指令，用来实现对内存操作的顺序限制。
volatile 的底层就是通过内存屏障来实现的。
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下图是完成上述规则所需要的内存屏障：

总结

volatile 看起来简单，但是要想理解它还是比较难的，这里只是对其进行基本的了解。

volatile 相对于 synchronized 稍微轻量些，在某些场合它可以替代 synchronized ，但是又不能完全取代 synchronized 。只有在某些场合才能够使用 volatile，使用它必须满足如下两个条件：

对变量的写操作，不依赖当前值。
该变量没有包含在具有其他变量的不变式中。
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volatile 经常用于以下场景：状态标记变量、Double Check .一个线程写多个线程读。

原文 https://juejin.im/post/5d82e18de51d4562165535c7

正文到此结束

所属分类： Java 编程技术

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