volatile 关键字

如果一个变量在多个CPU中都存在缓存（一般在多线程编程时才会出现），那么就可能存在缓存不一致的问题。为了解决缓存不一致性问题，通常来说有以下2种解决方法：

1. 通过在总线加LOCK#锁的方式
   
2. 通过缓存一致性协议
   

这2种方式都是硬件层面上提供的方式。

i如果在执行这段代码的过程中，在总线上发出了LCOK#锁的信号，那么只有等待这段代码完全执行完毕之后，其他CPU才能从变量i所在的内存读取变量，然后进行相应的操作。这样就解决了缓存不一致的问题。

缓存一致性协议。最出名的就是Intel 的MESI协议，MESI协议保证了每个缓存中使用的共享变量的副本是一致的。它核心的思想是：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。

Java内存间交互操作

JLS定义了线程对主存的操作指令：lock，unlock，read，load，use，assign，store，write。这些行为是不可分解的原子操作，在使用上相互依赖，read-load从主内存复制变量到当前工作内存，use-assign执行代码改变共享变量值，store-write用工作内存数据刷新主存相关内容。

• read（读取）：作用于主内存变量，把一个变量值从主内存传输到线程的工作内存中，以便随后的load动作使用
  
• load（载入）：作用于工作内存的变量，它把read操作从主内存中得到的变量值放入工作内存的变量副本中。
  
• use（使用）：作用于工作内存的变量，把工作内存中的一个变量值传递给执行引擎，每当虚拟机遇到一个需要使用变量的值的字节码指令时将会执行这个操作。
  
• assign（赋值）：作用于工作内存的变量，它把一个从执行引擎接收到的值赋值给工作内存的变量，每当虚拟机遇到一个给变量赋值的字节码指令时执行这个操作。
  
• store（存储）：作用于工作内存的变量，把工作内存中的一个变量的值传送到主内存中，以便随后的write的操作。
  
• write（写入）：作用于主内存的变量，它把store操作从工作内存中一个变量的值传送到主内存的变量中。
  

原子性，可见性，有序性

多线程的三个特性。

　　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。
　　而普通的共享变量不能保证可见性，因为普通共享变量被修改之后，什么时候被写入主存是不确定的，当其他线程去读取时，此时内存中可能还是原来的旧值，因此无法保证可见性。

另外，通过synchronized和Lock也能够保证可见性，synchronized和Lock能保证同一时刻只有一个线程获取锁然后执行同步代码，并且在释放锁之前会将对变量的修改刷新到主存当中。因此可以保证可见性。

下面这段话摘自《深入理解Java虚拟机》：
“观察加入volatile关键字和没有加入volatile关键字时所生成的汇编代码发现，加入volatile关键字时，会多出一个lock前缀指令”
　　　
lock 前缀指令实际上相当于一个内存屏障（也成内存栅栏），内存屏障会提供3个功能：

1. 它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；即在执行到内存屏障这句指令时，在它前面的操作已经全部完成；
   
2. 它会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。
   

下面列举几个Java中使用volatile的几个场景。

• 状态标记量
  
• double check防止指令重排序:
  防止指令重排序导致其他线程获取到未初始化完的对象。instance = new Singleton()这句，这并非是一个原子操作，事实上在 JVM 中这句话大概做了下面 3 件事情。
  但是在 JVM 的即时编译器中存在指令重排序的优化。也就是说上面的第二步和第三步的顺序是不能保证的，最终的执行顺序可能是 1-2-3 也可能是 1-3-2。如果是后者，则在 3 执行完毕、2 未执行之前，被线程二抢占了，这时 instance 已经是非 null 了（但却没有初始化），所以线程二会直接返回 instance，然后使用，然后报错。加了volatile就不会重排序。
  

• 给 instance 分配内存
  
• 调用 Singleton 的构造函数来初始化成员变量
  
• 将instance对象指向分配的内存空间（执行完这步 instance 就为非 null 了）
  

当new一个对象的时候，也是被分配在主内存。

synchronized 关键字和 volatile 关键字的区别

• volatile关键字是线程同步的轻量级实现，所以volatile性能肯定比synchronized关键字要好。但是volatile关键字只能用于变量，而synchronized关键字可以修饰方法以及代码块。
  
• 多线程访问volatile关键字不会发生阻塞，而synchronized关键字可能会发生阻塞。
  
• volatile关键字能保证数据的可见性，但不能保证数据的原子性。synchronized关键字两者都能保证。
  
• volatile关键字主要用于解决变量在多个线程之间的可见性，而 synchronized关键字解决的是多个线程之间访问资源的同步性