volatile 关键字原理

1、volatile含义

volatile是一个类型修饰符（type specifier）。volatile的作用是作为指令关键字，确保本条指令不会因编译器的优化而省略，且要求每次直接从主存读值。volatile的本身含义即为易变的、不稳定的，也就是说被它修饰的变量可能会被意想不到地改变。

2、相关知识点

2.1 CPU 缓存

CPU缓存（Cache Memory）位于CPU与内存之间的临时存储器，它的容量比内存小但交换速度快。在缓存中的数据是内存中的一小部分，但这一小部分是短时间内CPU即将访问的，当CPU调用大量数据时，就可避开内存直接从缓存中调用，从而加快读取速度。
在CPU中加入缓存是一种高效的解决方案，这样整个内存储器（缓存+内存）就变成了既有缓存的高速度，又有内存的大容量的存储系统了。缓存对CPU的性能影响很大，主要是因为CPU的数据交换顺序和CPU与缓存间的带宽引起的。
在这里插入图片描述

以上为CPU Cache模型，缓存分为三级L1/L2/L3，由于指令和数据的行为和热点分布差异很大，因此将L1按照用途划分为L1i（instruction）和L1d（data）。在多核CPU的结构中，L1和L2是CPU私有的，L3则是所有CPU共享的。

2.2 Java内存模型

在这里插入图片描述

主存中的数据所有线程都可以访问（共享数据）
每个线程都有自己的工作空间，（本地内存）（私有数据）
工作空间数据：局部变量、内存的副本
线程不能直接修改内存中的数据，只能读到工作空间来修改，修改完成后刷新到内存

这就引发了CPU缓存的一致性问题。
解决方案：
1）总线加锁（粒度太大），锁总线的开销比较大，锁总线期间其他 CPU 没法访问内存。
2）缓存一致性协议（MESI）
a. 读操作：不做任何事情，把Cache中的数据读到寄存器
b. 写操作：发出信号通知其他的CPU讲改变量的Cache line置为无效，其他的CPU要访问这个变量的时候，只能从内存中获取。
MESI协议将Cache Line的状态分成以下四种：
　　M-modify（修改）：当前CPU Cache拥有最新数据（最新的Cache Line），其他CPU拥有失效数据（Cache Line的状态是invalid），虽然当前CPU中的数据和主存是不一致的，但是以当前CPU的数据为准；
　　E-exclusive（独占）：只有当前CPU Cache中有数据，其他CPU Cache中没有改数据，当前CPU的数据和主存中的数据是一致的；
　　S-shared（共享）：当前CPU Cache和其他CPU Cache中都有共同数据，并且和主存中的数据一致；
　　I-invalid（失效）：当前CPU Cache中的数据失效，数据应该从主存中获取，其他CPU Cache中可能有数据也可能无数据，当前CPU Cache中的数据和主存被认为是不一致的，对于invalid而言，在MESI协议中采取的是写失效（Write invalidate）。

2.3 happens-before规则

JSR-133定义了如下happens-before规则:
　　1) 程序顺序规则：一个线程中的每个操作，happens-before于该线程中的任意后续操作。(通俗的说：单线程中前面的动作发生在后面的动作之前)
　　2) 监视器锁规则：对于一个锁的解锁，happens-before于随后对这个锁的加锁。（通俗的说：解锁操作发生在加锁操作之后）
　　3) volatile变量规则：对于一个volatile域的写，happens-before于任意后续对这个volatile域的读。（通俗的说：对volatile变量的写发生在读之前）
　　4) 传递性规则：如果A happens-before B，且B happens-before C，那么A happens-before C.
　　5) start()规则：如果线程A执行操作ThreadB.start()（启动线程B）,那么线程B中的任意操作happens-before于线程A从ThreadB.join()操作返回成功。
　　6) join()规则：如果线程A执行操作Thread.join()并成功返回，那么线程B中的任意操作happens-before于线程A从ThreadB.join操作成功返回。

2.4 volatile 的特性

可见性（最重要的特性）。对一个volatile变量的读，总是能看到（任意线程）对这个volatile变量最后的写入。
有序性。对于存在指令重排序的情况，volatile会禁止部分指令重排序。

3、volatile 的内存语义

为了实现volatile的内存语义，JMM会分别限制这两种类型的重排序。
　　当写一个volatile变量时，JMM会立即将本地变量中对应的共享变量值刷新到主内存中。
　　当读一个volatile变量时，JMM会将线程本地变量存储的值，置为无效值，线程接下来将从主内存中读取共享变量。
为了实现 volatile 的内存语义，编译器在生成字节码时，会在指令序列中插入内存屏障来禁止特定类型的处理器重排序。下面是基于保守策略的 JMM 内存屏障插入策略：

在每个 volatile 写操作的前面插入一个 StoreStore 屏障（禁止前面的写与volatile写重排序）。
在每个 volatile 写操作的后面插入一个 StoreLoad 屏障（禁止volatile写与后面可能有的读和写重排序）。
在每个 volatile 读操作的后面插入一个 LoadLoad 屏障（禁止volatile读与后面的读操作重排序）。
在每个 volatile 读操作的后面插入一个 LoadStore 屏障（禁止volatile读与后面的写操作重排序）。

上述内存屏障插入策略非常保守，但它可以保证在任意处理平台，任意的程序中都能得到正确的volatile语义。下面是保守策略（为什么说保守呢，因为有些在实际的场景是可省略的）下，volatile 读写操作插入内存屏障后生成的指令序列示意图：
在这里插入图片描述

4、volatile 的使用场景

1）状态标志（开关模式）。也许实现 volatile 变量的规范使用仅仅是使用一个布尔状态标志，用于指示发生了一个重要的一次性事件，例如完成初始化或请求停机。

public class ShutDowsnDemmo extends Thread{
    private volatile boolean started=false;

    @Override
    public void run() {
        while(started){
            dowork();
        }
    }
    public void shutdown(){
        started=false;
    }
}

2）双重检查锁定（double-checked-locking）
单例模式的一种实现方式，但很多人会忽略 volatile 关键字，因为没有该关键字，程序也可以很好的运行，只不过代码的稳定性总不是 100%，说不定在未来的某个时刻，隐藏的 bug 就出来了。

public class Singleton {
    private volatile static Singleton instance;
    public static Singleton getInstance(){
        if(instance==null){
            synchronized (Singleton.class){
                instance=new Singleton();
            }
        }
        return instance;
    }
}

5、volatile与synchronized的区别

（1）使用上的区别
Volatile只能修饰变量；synchronized只能修饰方法和语句块。
（2）对原子性的保证
synchronized可以保证原子性；Volatile不能保证原子性。
（3）对可见性的保证
都可以保证可见性，但实现原理不同。Volatile对变量加了lock；synchronized使用monitorEnter和monitorexit monitor。
（4）对有序性的保证
Volatile能保证有序；synchronized可以保证有序性，但是代价（重量级）并发退化到串行
（5）阻塞
synchronized引起阻塞；Volatile不会引起阻塞。

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