死磕Java多线程（六）---Volatile原理

引言：

上节说到计算机的硬件组成可以抽象为由总线、IO设备、主存、处理器（CPU）等组成。其中数据存放在主存中，CPU负责指令的执行，CPU的指令执行非常快，大部分简单指令的执行只需要一个时钟周期，而一次主内存数据的读取则需要几十到几百个时钟周期，那么CPU从主存中读写数据就会有很大的延迟。这个时候就产生了高速缓存的概念。

也就是说，当程序在运行过程中，会将运算需要的数据从主存复制一份到CPU的高速缓存当中，那么CPU进行计算时就可以直接从它的高速缓存读取数据和向其中写入数据，当运算结束之后，再将高速缓存中的数据回写到主存当中，通过这种方式来降低CPU从主存中获取数据的延迟。大致的示意图如下：

图一这个模型，可以简单的认为是单核模型，在这个模型里面，以i++这个操作为例，程序执行时，会先从主内存中获取i的值，复制到高速缓存，然后CPU从高速缓存中加载并执行+1操作，操作完成后回写到高速缓存，最后再从高速缓存回写到主内存。单核模型这样操作没有任何问题，但是计算机自产生以来，一直追求的两个目标，一个是如何做的更多，另一个就是如何计算得更快，这样带来的变化就是单核变成多核，高速缓存分级存储。大致的示意图如下：

在图二示意图里面，i++这个操作就有问题了，因为多核CPU可以线程并行计算，在Core 0和Core 1中可以同时将i复制到各自缓存中，然后CPU各自进行计算，假设初始i为1，那么预期我们希望是2，但是实际由于两个CPU各自先后计算后最终主内存中的i可能是2，也可能是其他值。

这个就是硬件内存架构中存在的一个问题，缓存一致性问题，就是说核1改变了变量i的值之后，核0是不知道的，存放的还是旧值，最终对这样的一个脏数据进行操作。

为此，CPU的厂商定制了相关的规则来解决这样一个硬件问题，

在以前的解决方案

总线加锁：其实很好理解总线锁，咱们来看图二，前面提到了变量会从主内存复制到高速缓存，计算完成后，会再回写到主内存，而高速缓存和主内存的交互是会经过总线的。既然变量在同一时刻不能被多个CPU同时操作，会带来脏数据，那么只要在总线上阻塞其他CPU，确保同一时刻只能有一个CPU对变量进行操作，后续的CPU读写操作就不会有脏数据。总线锁的缺点也很明显，有点类似将多核操作变成单核操作，所以效率低。

这样的解决方法，在多核操作的今天变得越来越不适合，效率太低！！！！，为了优化效率，CPU的厂商定又制了如下规则来解决这个问题

缓存锁： 即缓存一致性协议，主要有MSI、MESI、MOSI等，这些协议的主要核心思想：当CPU写数据时，如果发现操作的变量是共享变量，即在其他CPU中也存在该变量的副本，会发出信号通知其他CPU将该变量的缓存行置为无效状态，因此当其他CPU需要读取这个变量时，发现自己缓存中缓存该变量的缓存行是无效的，那么它就会从内存重新读取。

好了，理论补充完了，开始瞎掰。。。。。。。

在JAVA开发中，当某个变量需要对所有线程可见的时候，我们可以使用关键词volatile来实现我们的需求。

我们知道Volatile保证可见性与有序性，但是不保证原子性，保证原子性需要借助synchronized这样的锁机制。

那么Volatile是如何保证可见性与有序性的呢？

假设有一个有一个Boolean类型的initFlag变量，默认为false，public boolean initFlag = false;
当我们在一个线程将其修改为true时，如果不使用Volatile关键词修饰，其它线程是不知道它已经修改成了true的。

注：请参照Java内存模型

使用Volatile关键词修饰后：public volatile boolean initFlag = false;

通过引言，和上面这两幅图，大家应该也知道Volatile什么怎么实现可见性和有序性了吧（重点）。

那么我们现在来总结一下

Volatile底层实现主要是通过汇编指令，他会锁定这块内存区域的缓存并回写到主内存，此操作被称为“缓存锁定”，MESI缓存一致性协议（由各大CPU厂商实现的硬件级别协议），会阻止同时修改被两个以上处理器缓存的内存区域数据（锁定store阶段到write阶段【这样就保证了有序性】《------》内存屏障，在以前的总线加锁是锁住所有阶段，锁的粒度被大大减小，所以也被称为轻量级锁，），当一个处理器的缓存值通过总线回写到内存时，其他CPU会通过CPU嗅探机制，将相应的缓存内的这个数据强制失效，只能从主缓存再次读取。这样就保证了可见性。

补充：内存屏障：
内存屏障提供了3个功能：

1. 确保指令重排序时不会把其后面的指令排到内存屏障之前的位置，也不会把前面的指令排到内存屏障的后面；
2. 强制将对缓存的修改操作立即写入主存；
3. 如果是写操作，它会导致其他CPU中对应的缓存行无效。

这3个功能又是怎么做到的呢？来看下内存屏障的策略：

1. 在每个volatile写操作前面插入storestore屏障；
2. 在每个volatile写操作后面插入storeload屏障；
3. 在每个volatile读操作后面插入loadload屏障；
4. 在每个volatile读操作后面插入loadstore屏障；

最后，我们将代码转换为汇编指令来看看Java虚拟机到底是怎么实现的。
注：转换为汇编指令，可以通过-XX:+PrintAssembly来实现，window环境具体如何操作请参考此处(https://dropzone.nfshost.com/hsdis.xht)。

为什么Volatile不能保证原子性呢？

我们通过上文知道了volatile的底层只是当一个将被volatile修饰变量改变的时候将其它线程缓存中该数据失效。所以当你进行i++的时候，多个线程还是可能会当时拿到一样的值进行+1操作，但是有个线程率先执行完了，并将变量推送到主内存，所以其它线程的这个缓存这时候就都失效了，但是确实是执行了+1操作。
（白话一点就是，我做了，但是失效了）
（官方一点就是，从Load到store到内存屏障，一共4步，其中最后一步jvm让这个最新的变量的值在所有线程可见，也就是最后一步让所有的CPU内核都获得了最新的值，但中间的几步（从Load到Store）是不安全的，中间如果其他的CPU修改了值将会丢失。）