volatile 关键字解析

原文出处 —- 本文主要对其进行简单归纳

一. 内存模型的相关概念

计算机在执行程序时，每条指令都是在CPU中执行的，程序运行过程中的临时数据是存放在主存（物理内存）当中的，由于CPU执行速度很快，而从内存读写数据较慢，为了不影响速度，CPU里面就有了高速缓存。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写数据，当运算结束之后，再将高速缓存中的数据刷新到主存当中。

二. 并发编程中的三个概念

• 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。

• 可见性：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。

• 有序性：即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。

三. Java内存模型

• 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，即这些操作是不可被中断的，要么执行，要么不执行。

• 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。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。

• 有序性：

在Java内存模型中，允许编译器和处理器对指令进行重排序，但是重排序过程不会影响到单线程程序的执行，却会影响到多线程并发执行的正确性。java中，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。

四. 深入剖析volatile关键字

• volatile关键字的两层语义

  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，该新值对其他线程来说立即可见。
  2）禁止进行指令重排序。

• volatile的原理和实现机制

  加入volatile关键字时，汇编会多出一个lock前缀指令，它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。

五. 使用volatile关键字的场景

通常来说，使用volatile必须具备以下2个条件：

• 对变量的写操作不依赖于当前值

• 该变量没有包含在具有其他变量的不变式中

  即：需要操作是原子性操作，才能保证使用volatile关键字的程序在并发时能够正确执行。

下面列举几个Java中使用volatile的几个场景。

1.状态标记量

volatile boolean flag = false;

while(!flag){
    doSomething();
}

public void setFlag() {
    flag = true;
}

volatile boolean inited = false;
//线程1:
context = loadContext();  
inited = true;            

//线程2:
while(!inited ){
sleep()
}
doSomethingwithconfig(context);

2.双重校验锁

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;
    }