volatile关键词(2019-7-15更新)

内存模型JMM

Java内存模型(JMM)规定了所有的变量都存储在主内存中。每条线程中还有自己的工作内存，每个线程创建时 JVM 都会为其创建一个工作内存（有些地方称之为栈空间）。线程的工作内存中保存了被该线程所使用到的变量（这些变量是从主内存中拷贝而来）。线程对变量的所有操作（读取，赋值）都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回到主内存。不同线程之间也无法直接访问对方工作内存中的变量，线程间变量值的传递均需要通过主内存来完成。

JMM关于同步的规定：

  1. 线程解锁前，必须把共享变量的值刷回主内存
  2. 线程加锁前，必须读取主内存的最新值到自己的工作内存
  3. 加锁解锁是同一把锁

在多线程中，执行下面这个语句

1
i = 10;

顺序是执行线程必须先在自己的工作线程中对变量i所在的缓存行进行赋值操作，然后再写入主存当中。而不是直接将数值10写入主存当中。

这便造成在多个线程执行这句话的时候，一个线程执行之后，还未把结果写入主内存，而其他线程就已经从内存中读取，从而产生“脏读”。

如何解决这个问题，我们就要谈到并发编程的三大概念：原子性，有序性，可见性。

原子性

  1. 定义
    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。

  2. Java中的原子性

    在 Java 中，对基本数据类型的变量的读取和赋值操作是原子性操作。下面举个例子深入理解：

    1
    2
    3
    4
    x = 10; //语句1
    y = x; //语句2
    x++; //语句3
    x = x + 1; //语句4

    这四句只有语句1具有原子性。
    语句 1 是直接将数值 10 赋值给 x，也就是说线程执行这个语句的会直接将数值10写入到工作内存中。
    语句 2 实际上包含2个操作，它先要去读取x的值，再将x的值写入工作内存，虽然读取x的值以及将x的值写入工作内存，这2个操作都是原子性操作，但是合起来就不是原子性操作了。
    同样的，x++ 和 x = x+1 包括3个操作：读取 x 的值，进行加1操作，写入新的值。

可见性

  1. 定义
    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。

  2. Java中的可见性
    对于可见性，Java 提供了 volatile 关键字来保证可见性。当一个共享变量被volatile修饰时，它会保证修改的值会立即被更新到主存，当有其他线程需要读取时，它会去内存中读取新值。

有序性

  1. 指令重排序
    一般来说，处理器为了提高程序运行效率，可能会对输入代码进行优化，它不保证程序中各个语句的执行先后顺序同代码中的顺序一致，但是它会保证程序最终执行结果和代码顺序执行的结果是一致的。
    重排序对单线程没有任何影响，但是对于多线程来说，会影响执行的正确性。

  2. Java中有序性
    可以通过 volatile 关键字来保证一定的“有序性”。另外可以通过synchronized和Lock来保证有序性，很显然，synchronized和Lock保证每个时刻是有一个线程执行同步代码，相当于是让线程顺序执行同步代码，自然就保证了有序性。

    另外，Java内存模型具备一些先天的“有序性”，即不需要通过任何手段就能够得到保证的有序性，这个通常也称为happens-before 原则。如果两个操作的执行次序无法从happens-before原则推导出来，那么它们就不能保证它们的有序性，虚拟机可以随意地对它们进行重排序。

    ①程序次序规则：一个线程内，按照代码顺序，书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作
    ②锁定规则：一个unLock操作先行发生于后面对同一个锁的lock操作
    ③volatile变量规则：对一个变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作
    ④传递规则：如果操作A先行发生于操作B，而操作B又先行发生于操作C，则可以得出操作A先行发生于操作C
    注意，这里的第一条只是保证了单线程的正确性，多线程并不能保证。

    第三条规则是一条比较重要的规则。直观地解释就是，如果一个线程先去写一个变量，然后一个线程去进行读取，那么写入操作肯定会先行发生于读操作。

深入理解volatile

一旦一个共享变量（类的成员变量、类的静态成员变量）被volatile修饰之后，那么
就具备了两层语义：

  1. 保证了不同线程对这个变量进行操作时的可见性，即一个线程修改了某个变量
    的值，这新值对其他线程来说是立即可见的。
  2. 禁止进行指令重排序。

但是volatile不能保证原子性
因为volatile只是让变量每次读取到的都是最新的值，但是至于赋值，写入内存、后面的操作仍不能保证是原子性，解决的办法还是synchronized或者lock。

volatile保证有序性
volatile关键字禁止指令重排序有两层意思：

  1. 当程序执行到volatile变量的读操作或者写操作时，在其前面的操作的更改肯定全部已经进行，且结果已经对后面的操作可见；在其后面的操作肯定还没有进行；
  2. 在进行指令优化时，不能将在对volatile变量的读操作或者写操作的语句放在其后面执行，也不能把volatile变量后面的语句放到其前面执行。

实现原理

如果对声明了volatile变量进行写操作时，JVM会向处理器发送一条Lock前缀的指令，将这个变量所在缓存行的数据写会到系统内存。这一步确保了如果有其他线程对声明了volatile变量进行修改，则立即更新主内存中数据。

应用场景

synchronized关键字是防止多个线程同时执行一段代码，那么就会很影响程序执行
效率，而volatile关键字在某些情况下性能要优于synchronized，但是要注意volatile关键字是无法替代synchronized关键字的，因为volatile关键字无法保证操作的原子性。通常来说，使用volatile必须具备以下2个条件：

  1. 对变量的写操作不依赖于当前值
  2. 该变量没有包含在具有其他变量的不变式中

梳理总结

  1. 保证可见性
  2. 不保证原子性
  3. 禁止指令重排

多线程

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