浅谈Volatile三大特性

JMM

JMM是什么

JMM是Java内存模型，也就是Java Memory Model，简称JMM，本身是一种抽象的概念，实际上并不存在，它描述的是一组规则或规范，通过这组规范定义了程序中各个变量（包括实例字段，静态字段和构成数组对象的元素）的访问方式

JMM关于同步的规定：

• 线程解锁前，必须把共享变量的值刷新回主内存
• 线程解锁前，必须读取主内存的最新值，到自己的工作内存
• 加锁和解锁是同一把锁

由于JVM运行程序的实体是线程，而每个线程创建时JVM都会为其创建一个工作内存（有些地方称为栈空间），工作内存是每个线程的私有数据区域，而Java内存模型中规定所有变量都存储在主内存，主内存是共享内存区域，所有线程都可以访问，但线程对变量的操作（读取赋值等）必须在工作内存中进行，首先要将变量从主内存拷贝到自己的工作内存空间，然后对变量进行操作，操作完成后再将变量写会主内存，不能直接操作主内存中的变量，各个线程中的工作内存中存储着主内存中的变量副本拷贝，因此不同的线程间无法访问对方的工作内存，线程间的通信（传值）必须通过主内存来完成，其简要访问过程：

数据传输速率：硬盘 < 内存 < < cache < CPU

上面提到了两个概念：主内存 和 工作内存

• 主内存：就是计算机的内存，也就是经常提到的8G内存，16G内存

• 工作内存：但我们实例化 new student，那么 age = 25 也是存储在主内存中

  • 当同时有三个线程同时访问 student中的age变量时，那么每个线程都会拷贝一份，到各自的工作内存，从而实现了变量的拷贝
    
    即：JMM内存模型的可见性，指的是当主内存区域中的值被某个线程写入更改后，其它线程会马上知晓更改后的值，并重新得到更改后的值。

特性

• 可见性
• 原子性
• 有序性

Volatile

Volatile是Java虚拟机提供的轻量级的同步机制（三大特性）
1.保证可见性
2.不保证原子性
3.有序性（禁止指令重排）

可见性

对于成员变量没有添加任何修饰时，是无法感知其它线程修改后的值

volatile 修饰的关键字，是为了增加主线程和线程之间的可见性，只要有一个线程修改了内存中的值，其它线程也能马上感知

原子性

各个线程对主内存中共享变量的操作都是各个线程各自拷贝到自己的工作内存进行操作后再写回到主内存中的

这就可能存在一个线程AAA修改了共享变量X的值，但是还未写入主内存时，另外一个线程BBB又对主内存中同一共享变量X进行操作，但此时A线程工作内存中共享变量X对线程B来说是不可见，这种工作内存与主内存同步延迟现象就造成了可见性问题。

什么是原子性？
不可分割，完整性，也就是说某个线程正在做某个具体业务时，中间不可以被加塞或者被分割，需要具体完成，要么同时成功，要么同时失败。数据库也经常提到事务具备原子性

当多个线程对同个数进行操作，为什么会出现数值丢失？
n++这条命令，在字节码文件中被拆分成了3个指令

• 执行getfield 从主内存拿到原始n
• 执行iadd 进行加1操作
• 执行putfileld 把累加后的值写回主内存

假设我们没有加 synchronized那么第一步就可能存在着，三个线程同时通过getfield命令，拿到主存中的 n值，然后三个线程，各自在自己的工作内存中进行加1操作，但他们并发进行 n++ 命令的时候，因为只能一个进行写，所以其它操作会被挂起，假设1线程，先进行了写操作，在写完后，volatile的可见性，应该需要告诉其它两个线程，主内存的值已经被修改了，但是因为太快了，其它两个线程，陆续执行 iadd命令，进行写入操作，这就造成了其他线程没有接受到主内存n的改变，从而覆盖了原来的值，出现写丢失

如何解决原子性问题？

在多线程环境下 number ++ 在多线程环境下是非线程安全的，解决的方法有哪些呢？

• 加入synchronized关键字修饰，可保证方法每次只能够一个线程进行访问和操作
• 由于synchronized关键字是重量级的同步机制，还可使用JUC的原子包装类，如int类型的number可被AtomicInteger代替，调用atomicInteger.getAndIncrement()方法同样会实现number++

禁止指令重排

计算机在执行程序时，为了提高性能，编译器和处理器常常会对指令重排，一般分为以下三种：

源代码 -> 编译器优化的重排 -> 指令并行的重排 -> 内存系统的重排 -> 最终执行指令

单线程环境里面确保最终执行结果和代码顺序的结果一致

处理器在进行重排序时，必须要考虑指令之间的数据依赖性

多线程环境中线程交替执行，由于编译器优化重排的存在，两个线程中使用的变量能否保证一致性是无法确定的，结果无法预测。

Volatile针对指令重排做了什么？

Volatile实现禁止指令重排优化，从而避免了多线程环境下程序出现乱序执行的现象

首先了解一个概念，内存屏障（Memory Barrier）又称内存栅栏，是一个CPU指令，它的作用有两个：

• 保证特定操作的顺序
• 保证某些变量的内存可见性（利用该特性实现volatile的内存可见性）

由于编译器和处理器都能执行指令重排的优化，如果在指令间插入一条Memory Barrier则会告诉编译器和CPU，不管什么指令都不能和这条Memory Barrier指令重排序，也就是说 通过插入内存屏障禁止在内存屏障前后的指令执行重排序优化。 内存屏障另外一个作用是刷新出各种CPU的缓存数，因此任何CPU上的线程都能读取到这些数据的最新版本。

也就是过在Volatile的写 和 读的时候，加入屏障，防止出现指令重排的