线程安全之volatile

线程不安全出现的原因

计算机在执行程序时，每条指令都是在CPU中执行的，而执行指令过程中会涉及到数据的读取和写入。由于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，这时就存在一个问题，由于CPU执行速度很快，而从内存读取数据和向内存写入数据的过程跟CPU执行指令的速度比起来要慢的多，因此如果任何时候对数据的操作都要通过和内存的交互来进行，会大大降低指令执行的速度。
为了处理这个问题，在CPU里面就有了高速缓存(Cache)的概念。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取数据和向其中写入数据，当运算结束之后，再将高速缓存中的数据刷新到主存当中。

由于java中的每个线程有自己的工作空间，这种工作空间相当于上面所说的高速缓存，因此多个线程在处理一个共享变量的时候，就会出现线程安全问题。

这里简单解释下共享变量，上面我们所说的t就是一个共享变量，也就是说，能够被多个线程访问到的变量，我们称之为共享变量。在java中共享变量包括实例变量，静态变量，数组元素。他们都被存放在堆内存中。

volatile如何保证线程安全

在多线程环境下，某个共享变量如果被其中一个线程给修改了，其他线程能够立即知道这个共享变量已经被修改了，当其他线程要读取这个变量的时候，最终会去内存中读取，而不是从自己的工作空间中读取。
例如我们上面说的，当线程1对t进行了加1操作并把数据写回到主存之后，线程2就会知道它自己工作空间内的t已经被修改了，当它要执行加1操作之后，就会去主存中读取。这样，两边的数据就能一致了。假如一个变量被声明为volatile，那么这个变量就具有了可见性的性质了。这就是volatile关键的作用之一了。

1. volatile保证变量可见性的原理
   当一个变量被声明为volatile时，在编译成会变指令的时候，会多出下面一行：
   0x00bbacde: lock add1 $0x0(%esp);
   这句指令的意思就是在寄存器执行一个加0的空操作。不过这条指令的前面有一个lock(锁)前缀。当处理器在处理拥有lock前缀的指令时：
   在之前的处理中，lock会导致传输数据的总线被锁定，其他处理器都不能访问总线，从而保证处理lock指令的处理器能够独享操作数据所在的内存区域，而不会被其他处理所干扰。但由于总线被锁住，其他处理器都会被堵住，从而影响了多处理器的执行效率。为了解决这个问题，在后来的处理器中，处理器遇到lock指令时不会再锁住总线，而是会检查数据所在的内存区域，如果该数据是在处理器的内部缓存中，则会锁定此缓存区域，处理完后把缓存写回到主存中，并且会利用缓存一致性协议来保证其他处理器中的缓存数据的一致性。
2. 缓存一致性协议
   线程中的处理器会一直观察内部缓存中的内存地址在其他处理器中的操作情况，如果有其他处理器修改其内存地址中的值，那么当前处理器就会判定自己内部缓存中的该地址无效。所以在访问该数据的时候，就会去主存中查询。
3. 有序性
   虚拟机在编译时有可能会对代码进行重排序，所以代码不一定按照我们的书写顺序执行。
   如果一个变量被声明volatile的话，那么这个变量不会被进行重排序，也就是说，虚拟机会保证这个变量之前的代码一定会比它先执行，而之后的代码一定会比它慢执行。但是不会对这个变量之前或之后的代码内部进行重排序。

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volatile保证线程安全的特性：

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1.可见性
2.有序性

什么情况下volatile能够保证线程安全

1. 运算结果并不依赖变量的当前值，或者能够确保只有单一的线程修改变量的值。
2. 变量不需要与其他状态变量共同参与不变约束。