Volatile的内存语义解析

                                               Volatile的内存语义解析

提到volatile首先想到就是：

1. 保证此变量对所有线程的可见性，这里的 “可见性” 是指当一条线程修改了这个变量的值，新值对于其他线程来说是可以立即得知的。
2. 禁止指令重排序优化。

一、多线程之内存可见性

1、什么是可见性？

可见性：一个线程对共享变量值的修改，能够及时地被其他线程所看到。

共享变量：如果一个变量在多个线程的工作内存中都存在副本，那么这个变量就是这几个线程的共享变量。

工作内存：每个线程拥有自己的工作内存，只能对自己工作内存中的变量副本进行修改，而不能直接修改主内存中的变量。

2、Java内存模型（JMM-Java Memory Model）

JMM：描述了Java程序中各种变量（线程共享变量）的访问规则，以及在JVM中将变量存储到内存和从内存中读取出变量这样的底层细节。

Java内存的规定：

      线程对共享变量的所有操作都必须在自己的工作内存中进行，不可直接从主内存中读写； 
      不同线程之间无法直接访问其他线程工作内存中的变量，线程间的变量值的传递需要通过主内存。

共享变量可见性实现原理：

      线程1–>工作内存1中变量X–>更新到主内存中–>工作内存2中的变量X得到更新–>线程2 

二、可见性实现方式

（1）synchronized，能够实现原子性（同步）与可见性

（2）volatile，能够实现变量可见性，但不能保证变量的原子性，比较典型的例子是++运算符

【1】synchronized实现可见性
 JMM（java内存模型）中关于synchronized的两条规定：

1. 线程解锁前，必须把共享变量的最新值刷新到主内存中
2. 线程加锁时，清空工作内存中的共享变量的值，从而使用共享变量时需要从主内存中读取最新的值

那么，线程执行互斥代码的流程就是：

（1）获得互斥锁

（2）清空工作内存

（3）从主内存中拷贝变量的最新副本到工作内存中

（4）执行互斥代码

（5）将更改后的共享变量的值刷新到主内存中

（6）释放互斥锁

【2】volatile实现可见性
通过加入内存屏障和禁止指令重排序优化来实现的。每次读取用volatile修饰的变量的值，都会从主内存中读取该变量。

通俗地讲：volatile变量在每次被线程访问时，都强迫从主内存中重读该变量的值，而当该变量发生变化时，又会强迫线程将最新的值刷新到主内存。这样在任何时刻，不同的线程总能看到该变量的最新值。

（1)  对共享变量进行写操作后，加入一条store屏障指令，强制将共享变量的值刷新到主内存；

（2）对共享变量进行读操作前，加入一条load屏障指令，强制从主内存中将最新值刷新到工作内存；

那么，线程写volatile变量的过程：

（1）改变线程工作内存中volatile变量副本的值

（2）将改变后的副本的值从工作内存刷新到主内存

线程读volatile变量的值的过程：

（1）从主内存中读取volatile变量的最新值到线程的工作内存中

（2）从工作内存中读取volatile变量的副本

    private int num=10;
    num++;//Num不是原子操作
    线程1和线程2都执行一次,最后输出num的值可能是：11或者12

(1)线程A获取到主内存的num的值（10）到工作内存

(2)此时CPU调度，A暂停，线程B开始执行，同样从主内存中获取到num为10，num++后，num为11，刷新到主内存

(3)线程A继续执行num++，它的工作内存中num为10，执行完毕刷新到主内存，此时，
   num的值为11. 也就是说，AB两个线程同时进行了+1操作，但最终的结果，只加了1

【3】不可见原因

1. 线程的交叉执行
2. 重排序结合线程交叉执行
3. 共享变量更新后的值没有在工作内存和主内存间及时更新

 

三、重排序
代码书写的顺序与实际执行的顺序不同，指令重排序是编译器或处理器为了提高程序性能而做的优化。

编译器优化的重排序（编译器优化）
指令级并行重排序（处理器优化）
内存系统的重排序（处理器优化）
eg： 

代码书写顺序：

int number = 1;
int result = 0;

执行顺序：

int result = 0;
int number = 1;

四、as-if-serial
as-if-serial:无论怎么样重排序，程序执行的结果应该与代码顺序执行的结果一致。（java编译器，运行时和处理器都会保证java在单线程下遵循as-if-serial语义）