volatile关键字深入理解

 

1.原理

为了提高处理器的执行速度，在处理器和内存之间增加了多级缓存来提升。但是由于引入了多级缓存，就存在缓存数据不一致问题，volatile修饰的变量会强制将修改的值立即写入主存，主存中值的更新会使缓存中的值失效

每个线程都会有副本，多线程下就会有并发的问题

2.特性

volatile具有可见性、有序性，不具备原子性。

原子性：为了保证原子性，需要通过字节码指令monitorenter和monitorexit，但是volatile和这两个指令之间是没有任何关系的。所以，volatile是不能保证原子性的（lock前缀）。Thread-A在写变量时会发出LOCK#指令，LOCK#指令锁总线（或锁缓存行），同时让其他线程的高速缓存中的缓存行内容失效，等待Thread-A向主存回写最新修改的值如果在回写期间读取数据时，会发现对应地址的缓存行被锁了，等待锁的释放，缓存一致性协议会保证它读取到最新的值 （修改不用读取直接写是原子性操作）

 

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。
有序性：即程序执行时按照代码书写的先后顺序执行。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。如果两个操作访问同一个变量，且这两个操作有一个为写操作，此时这两个操作就存在数据依赖性,禁止重排序

3.as-if-serial和happens-before

JMM对底层尽量减少约束，使其能够发挥自身优势。因此，在执行程序时，为了提高性能，编译器和处理器常常会对指令进行重排序。一般重排序可以分为如下三种：

1. 编译器优化的重排序。编译器在不改变单线程程序语义的前提下，可以重新安排语句的执行顺序；
2. 指令级并行的重排序。现代处理器采用了指令级并行技术来将多条指令重叠执行。如果不存在数据依赖性，处理器可以改变语句对应机器指令的执行顺序；
3. 内存系统的重排序。由于处理器使用缓存和读/写缓冲区，这使得加载和存储操作看上去可能是在乱序执行的。

如果两个操作访问同一个变量，且这两个操作有一个为写操作，此时这两个操作就存在数据依赖性这里就存在三种情况：1. 读后写；2.写后写；3. 写后读，者三种操作都是存在数据依赖性的，如果重排序会对最终执行结果会存在影响。编译器和处理器在重排序时，会遵守数据依赖性，编译器和处理器不会改变存在数据依赖性关系的两个操作的执行顺序

happens-before定义

1）如果一个操作happens-before另一个操作，那么第一个操作的执行结果将对第二个操作可见，而且第一个操作的执行顺序排在第二个操作之前。

2）两个操作之间存在happens-before关系，并不意味着Java平台的具体实现必须要按照happens-before关系指定的顺序来执行。如果重排序之后的执行结果，与按happens-before关系来执行的结果一致，那么这种重排序并不非法

简单说就是happens-before关系保证正确同步的多线程程序的执行结果不被改变。

as-if-serial定义

保证单线程内程序的执行结果不被改变

as-if-serial语义和happens-before这么做的目的，都是为了在不改变程序执行结果的前提下，尽可能地提高程序执行的并行度。

volatile 变量规则

对一个 volatile 变量的写操作 happen—before 后面对该变量的读操作。数据存在依赖关系

3.适用场景

您只能在有限的一些情形下使用 volatile 变量替代锁。要使 volatile 变量提供理想的线程安全，必须同时满足下面两个条件：

• 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。

实际上，这些条件表明，可以被写入 volatile 变量的这些有效值独立于任何程序的状态，包括变量的当前状态。

第一个条件的限制使 volatile 变量不能用作线程安全计数器。虽然增量操作（x++）看上去类似一个单独操作，实际上它是一个由（读取－修改－写入）操作序列组成的组合操作，必须以原子方式执行，而 volatile 不能提供必须的原子特性。实现正确的操作需要使x 的值在操作期间保持不变，而 volatile 变量无法实现这点。（然而，如果只从单个线程写入，那么可以忽略第一个条件。）
 

场景1

volatile boolean shutdownRequested;

public void shutdown() { shutdownRequested = true; }

public void doWork() { 
    while (!shutdownRequested) { 
        // do stuff
    }
}

场景2 

public class CheesyCounter {

    private volatile int value;

    public int getValue() { return value; }

    public synchronized int increment() {
        return value++;
    }
}

或

private volatile long start = System.currentTimeMillis();
   public synchronized long get() {
        return start++;
    }