2.java多线程之volatile关键字-优快云博客

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1.什么是volatile？

volatile则是轻量级的synchronized，它不会引起线程上下文的切换和调度。

java语言规范中的定义如下：

Java编程语言允许线程访问共享变量，为了确保共享变量能被准确和一致地更新，线程应该确保通过排他锁单独获得这个变量。

通俗的讲就是一个变量如果用volatile修饰了，则Java可以确保所有线程看到这个变量的值是一致的。如果某个线程对volatile修饰的共享变量进行更新，那么其他线程可以立马看到这个更新，这就是所谓的线程可见性。

2.什么是happens-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；

解释：

程序次序规则：一段代码在单线程中执行的结果是有序的。注意是执行结果，因为虚拟机、处理器会对指令进行重排序（重排序后面会详细介绍）。虽然重排序了，但是并不会影响程序的执行结果，所以程序最终执行的结果与顺序执行的结果是一致的。故而这个规则只对单线程有效，在多线程环境下无法保证正确性。

锁定规则：这个规则比较好理解，无论是在单线程环境还是多线程环境，一个锁处于被锁定状态，那么必须先执行unlock操作后面才能进行lock操作。

volatile变量规则：这是一条比较重要的规则，它标志着volatile保证了线程可见性。通俗点讲就是如果一个线程先去写一个volatile变量，然后一个线程去读这个变量，那么这个写操作一定是happens-before读操作的。

传递规则：提现了happens-before原则具有传递性，即A happens-before B , B happens-before C，那么A happens-before C

线程启动规则：假定线程A在执行过程中，通过执行ThreadB.start()来启动线程B，那么线程A对共享变量的修改在接下来线程B开始执行后确保对线程B可见。

线程终结规则：假定线程A在执行的过程中，通过制定ThreadB.join()等待线程B终止，那么线程B在终止之前对共享变量的修改在线程A等待返回后可见。

推导出的其它原则：

将一个元素放入一个线程安全的队列的操作Happens-Before从队列中取出这个元素的操作
将一个元素放入一个线程安全容器的操作Happens-Before从容器中取出这个元素的操作
在CountDownLatch上的倒数操作Happens-Before CountDownLatch#await()操作
释放Semaphore许可的操作Happens-Before获得许可操作
Future表示的任务的所有操作Happens-Before Future#get()操作
向Executor提交一个Runnable或Callable的操作Happens-Before任务开始执行操作

3.volatile有哪些特性？

1).原子性:volatile对单个读/写具有原子性（32位Long、Double），但是复合操作除外，例如i++;

2).可见性:对一个volatile的读，总可以看到对这个变量最终的写；

3).JVM底层采用“内存屏障”来实现volatile语义。

4.volatile的操作系统语义。

计算机在程序运行中，每条指令都在cpu中运行，在执行过程中势必会涉及到数据的读写，但是数据都是存在主内存中的，读写主内存中的数据没有cpu中的指令执行的快，如果任何的读写都从主内存中必然会影响指令执行的效率，所以就有了cpu高速缓存。cpu高速缓存为cpu独有，只与该cpu执行的线程有关。

有了CPU高速缓存虽然解决了效率问题，但是它会带来一个新的问题：数据一致性。在程序运行中，会将运行所需要的数据复制一份到CPU高速缓存中，在进行运算时CPU不再也主存打交道，而是直接从高速缓存中读写数据，只有当运行结束后才会将数据刷新到主存中。

5.volatile的内存语义。

当写一个volatile变量时，JMM会把该线程对应的本地内存中的共享变量值立即刷新到主内存中。

当读一个volatile变量时，JMM会把该线程对应的本地内存设置为无效，直接从主内存中读取共享变量。

小结：volatile的写内存语义是直接刷新到主内存中，读的内存语义是直接从主内存中读取。

6.volatile的重排序规则。

如果第一个操作为volatile读，则不管第二个操作是啥，都不能重排序。这个操作确保volatile读之后的操作不会被编译器重排序到volatile读之前；
当第二个操作为volatile写是，则不管第一个操作是啥，都不能重排序。这个操作确保volatile写之前的操作不会被编译器重排序到volatile写之后；
当第一个操作volatile写，第二操作为volatile读时，不能重排序。

7.解决数据一致性问题的方案。

通过在总线加LOCK#锁的方式；
通过缓存一致性协议。

但是方案1存在一个问题，它是采用一种独占的方式来实现的，即总线加LOCK#锁的话，只能有一个CPU能够运行，其他CPU都得阻塞，效率较为低下。

第二种方案，缓存一致性协议（MESI协议）它确保每个缓存中使用的共享变量的副本是一致的。其核心思想如下：当某个CPU在写数据时，如果发现操作的变量是共享变量，则会通知其他CPU告知该变量的缓存行是无效的，因此其他CPU在读取该变量时，发现其无效会重新从主存中加载数据。

8.volatile底层是如何通过内存屏障实现的？

在每一个volatile写操作前面插入一个StoreStore屏障
在每一个volatile写操作后面插入一个StoreLoad屏障
在每一个volatile读操作后面插入一个LoadLoad屏障
在每一个volatile读操作后面插入一个LoadStore屏障

StoreStore屏障可以保证在volatile写之前，其前面的所有普通写操作都已经刷新到主内存中。
StoreLoad屏障的作用是避免volatile写与后面可能有的volatile读/写操作重排序。
LoadLoad屏障用来禁止处理器把上面的volatile读与下面的普通读重排序。
LoadStore屏障用来禁止处理器把上面的volatile读与下面的普通写重排序。