volatile 的作用和原理

volatile 作用

1. 保持内存可见性

内存可见性：所有线程都能看到共享内存的最新状态。每次读取前必须先从主内存刷新最新的值。每次写入后必须立即同步回主内存当中。

volatie  轻量级的 Synchronized , 可以保证共享变量的可见性。也就是说，一个线程能够读取到另外一个线程修改后的值。但是比 synchronized 开销更小。

2.禁止指令重排

volatile关键字提供内存屏障的方式来防止指令被重排，编译器在生成字节码文件时，会在指令序列中插入内存屏障来禁止特定类型的处理器重排序。

并发编程中， 通常会遇到三个问题：原子性问题，可见性问题，有序性问题。

可见性

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。

线程A 修改一个普通变量的值，然后向主内存进行回写，另外一个线程在线程A回写完之后再对主内存进行读取操作，新变量才会对线程 B 可见。如果读取的不是写完之后的变量，说明新变量对线程B不可见。

原子性

原子性：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。

Java 内存模式直接保证的原子性变量操作：read , load, asign , use ,store和 write 这 6个。大致可以认为，基本数据类型的访问，读写都具备原子性。

Java 内存模型可以通过 synchronized 保证原子性。通过monitorenter 和 monitorexit 保证原子性。

有序性

有序性：即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。

Java程序中天然的有序性可以总结为：

• 如果在本线程内观察，所有的操作都是有序的；
• 如果在一个线程中观察另一个线程，所有的操作都是无序的。

Java 内存模型

不同计算机操作系统的内存模型是不一样的，这样就需要统一的规范 Java 内存模型（Java Memory Model,JMM).

Java 内存区域：虚拟机栈，本地方法栈，堆，方法区，程序计数器，直接内存。

Java 内存区域和内存模型要有所区别

Java通过几种原子操作完成工作内存和主内存的交互：

• lock：作用于主内存，把变量标识为线程独占状态。
• unlock：作用于主内存，解除独占状态。
• read：作用主内存，把一个变量的值从主内存传输到线程的工作内存。
• load：作用于工作内存，把read操作传过来的变量值放入工作内存的变量副本中。
• use：作用工作内存，把工作内存当中的一个变量值传给执行引擎。
• assign：作用工作内存，把一个从执行引擎接收到的值赋值给工作内存的变量。
• store：作用于工作内存的变量，把工作内存的一个变量的值传送到主内存中。
• write：作用于主内存的变量，把store操作传来的变量的值放入主内存的变量中。

volatile如何保持内存可见性

volatile的特殊规则就是：

• read、load、use 动作必须连续出现。
• assign、store、write动作必须连续出现。

所以，使用volatile变量能够保证:

每次读取前必须先从主内存刷新最新的值。每次写入后必须立即同步回主内存当中也就是说，volatile关键字修饰的变量看到的随时是当前变量的最新值。

volatile 如何保证有序性

基于保守策略的JMM内存屏障插入策略：

• 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。
• 在每个volatile读操作的前面插入一个LoadLoad屏障。
• 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadStore屏障。

happen-before 原则

• 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
• 锁定规则：一个unLock操作先行发生于后面对同一个锁额lock操作
• volatile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
• 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
• 线程启动规则：Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每个一个动作
• 线程中断规则：对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生
• 线程终结规则：线程中所有的操作都先行发生于线程的终止检测，我们可以通过Thread.join()方法结束、Thread.isAlive()的返回值手段检测到线程已经终止执行
• 对象终结规则：一个对象的初始化完成先行发生于他的finalize()方法的开始

注意

对volatile变量的单次读/写操作可以保证原子性的，如long和double类型变量，但是并不能保证i++这种操作的原子性，因为本质上i++是读、写两次操作。

volatile不能完全取代Synchronized的位置，只有在一些特殊的场景下，才能适用volatile。总的来说，必须同时满足下面两个条件才能保证在并发环境的线程安全：

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。

volatile 的一个作用就是：双检锁实现单例

class Singleton{
    private volatile static Singleton instance = null;
    private Singleton() {
    }
    public static Singleton getInstance() {
        if(instance==null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if(instance==null)
                    instance = new Singleton();
            }
        }
        return instance;
    }
}