volatile底层实现原理

一、并发编程中的三个特性

• 原子性： 一个或多个操作为一个整体，要么全部执行要么都不执行，synchronized 可以保证代码块的原子性和共享变量的可见性
• 可见性： 当多个线程共享同一变量时，若其中一个线程对该共享变量进行了修改，那么该修改对其他线程是立即可见的
• 有序性： 程序执行的顺序与代码的先后顺序相同

二、JMM内存模型

2.1 JMM数据原子操作

2.2 缓存一致性协议(MESI)

多个CPU从主内存读取同一个数据到各自的高速缓存，当其中某个CPU修改了缓存中的数据，该数据会马上同步回主内存，其它CPU通过总线嗅探机制可以感知数据的变化，从而使自己缓存中的数据失效！

三、指令重排

   在不影响单线程程序执行结果的前提下，计算机为了最大程度发挥机器的性能，会对机器指令进行重排序优化。指令重排不会对单线程程序的结果产生影响，但他可能导致多线程程序出现非预期结果。


重排序会遵循as-if-serial和happens-before规则:

1. as-if-serial：不管怎么重排序(编译器和处理器为了提高并行度)，单线程程序的执行结果不能被改变， 编译器，runtime和处理器都必须遵守as-if-serial语义。为了遵守as-if-serial语义，编译器和处理器不会对存在数据依赖关系的操作进行重排序，因为这种重排序会改变执行结果。但是，如果操作之间不存在数据依赖关系，这些操作就可能会被编译器和处理器进行重排序

2. happens-before：

• 1.程序顺序原则：在一个线程内必须保证语义串行性，也就是说按照代码顺序执行

• 2.锁规则：解锁(unlock)操作必然发生在后续的同一个锁的加锁(lock)操作之前，也就是说，如果对一个锁解锁后，再加锁，那么加锁动作必须在解锁动作之后(同一个锁)

• 3.volatile规则：volatile变量的写，先发生于读，这保证了volatile变量的可见性，简单地说，volatile变量再每次被线程访问时，都强迫从主内存中读取该变量的值，而当该变量发生变化时，又会强迫将最新的值刷新到主内存，不同时刻，不同的线程总是能够看到该变量的最新值

• 4.线程启动规则：线程的start()方法先于它的每一个动作，即如果线程A在执行线程B的start方法之前修改了共享变量的值，那么当线程B执行start方法时，线程A对共享变量的修改对线程B可见

• 5.传递性：A先于B，B先于C，那么A必然先于C

• 6.线程终止规则：线程的所有操作先于线程的终结，Thread.join()方法的作用是等待当前执行的线程终止。假设在线程B终止之前，修改了共享变量，线程A在线程B的join()方法成功返回后，线程B对共享变量的修改对线程A可见

• 7.线程中断规则：对线程interrupt()方法的调用先行发生于中断线程的代码检测到中断事件的发生，可通过Thread.interruped()方法检测到线程是否发生中断

• 8.对象终结规则：一个对象的初始化完成先行发生于该对象的finalize()方法的开始。换句话就是，在对象没有完成初始化之前，是不能调用finalize()方法的

四、CPU层面的内存屏障

• 写屏障(Store Memory Barrier)通知处理器将写屏障之前的所有已经存储在存储缓存(store bufferes)中的数据同步到主内存
• 读屏障(Load Memory Barrier)配合写屏障，使得在写屏障之前的内存更新对于读屏障之后的读操作是可见的

- 可见性
 &写屏障(Store Memory Barrier)会保证在该屏障之前的，对共享变量的改动，都会同步到主存中
 &读屏障(Load Memory Barrier)会保证在该屏障之后的，对共享变量的读取，读取的都是主存中的最新数据
- 有序性
 &写屏障(Store Memory Barrier)会确保指令重排时，不会将写屏障之前的代码排在写屏障之后
 &读屏障(Load Memory Barrier)会确保指令重排时，不会将读屏障之后的代码排在读屏障之前

1.如何保证可见性
写屏障(sfence)会保证在该屏障之前的，对共享变量的改动，都会同步到主存中

public void actor2(I_Result r) {
    
    
 num = 2;
 ready = true; // ready 是 volatile 赋值带写屏障
 // 写屏障
}

读屏障(lfence)会保证在该屏障之后的，对共享变量的读取，读取的都是主存中的最新数据

public void actor1(I_Result r) {
    
    
 // 读屏障
 // ready 是 volatile 读取值带读屏障
 if(ready) {
    
    
 r.r1 = num + num;
 } else {
    
    
 r.r1 = 1;
 }
}

2.如何保证有序性
写屏障会确保指令重排序时，不会将写屏障之前的代码排在写屏障之后

public void actor2(I_Result r) {
    
    
 num = 2;
 ready = true; // ready 是 volatile 赋值带写屏障
 // 写屏障
}

读屏障会确保指令重排序时，不会将读屏障之后的代码排在读屏障之前

public void actor1(I_Result r) {
    
    
 // 读屏障
 // ready 是 volatile 读取值带读屏障
 if(ready) {
    
    
 r.r1 = num + num;
 } else {
    
    
 r.r1 = 1;
 }
}

五、JVM层面的内存屏障

屏障类型	指令示例	说明
LoadLoad	Load1；LoadLoad；Load2	确保Load1的读取操作在Load2及后续所有读取操作之前执行
StoreStore	Store1；StoreStore；Store2	在Store2及其后的写操作之前，保证Store1的写操作已刷新到主内存
LoadStore	Load1；LoadStore；Store2	在Store2及其后的写操作之前，保证Load1的读操作已结束
StoreLoad	Store1；StoreLoad；Load2	保证Store1的写操作已刷新到主内存后，Load2及之后的读写操作才会执行

StoreLoad Barriers是一个“全能型”的屏障，它同时具有其他3个屏障的效果

六、volatile的底层原理

volatile 的底层实现原理是内存屏障，Memory Barrier（Memory Fence）

• 在每个volatile写操作的前面插入一个StoreStore屏障
• 在每个volatile写操作的后面插入一个StoreLoad屏障
• StoreStore屏障将保障上面所有的普通写操作结果在volatile写之前会被刷新到主内存->普通写操作对其他线程可见
• StoreLoad屏障的作用是避免volatile写操作与后面可能有的volatile读/写操作重排序
  
• 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadLoad屏障
• 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadStore屏障
• LoadStore屏障用来禁止编译器把上面的volatile读操作与下面的普通读写操作重排序
  
  总之 volatile只能保证可见性和有序性但不能保证原子性，原子性需要通过Synchronized这样的锁机制实现
  

七、相关问题

1.锁机制如何保证共享变量可见性?
当某一个线程进入synchronized代码块前，线程会获得锁，清空工作内存，从主内存拷贝共享变量的最新值到工作内存成为副本，之后执行代码，将修改后的副本的值刷新回主内存中，最后线程释放锁。而获取不到锁的线程会阻塞等待，所以变量的值肯定一直都是最新的

2.volatile如何保证共享变量可见性？
&在工作内存中，每次使用volatile变量前必须先从主内存刷新变量的最新值到工作内存
&在工作内存中，每次修改volatile变量后都必须立刻同步回主内存中，用于保证其他线程可以看到当前线程对volatile变量所做的修改