volatile和内存模型

5.1 并发的三大特性

5.1.1 原子性(Atomicity)：

Java中，对基本数据类型的读取和赋值操作是原子性操作，所谓原子性操作就是指这些操作是不可中断的，要做一定做完，要么就没有执行。 比如：

i = 2;     //原子操作
j = i;     //非原子操作 1.取i的值，2.赋值给j
i++;       //非原子操作 1.i自增，2.将i写入内存
i = i + 1; //同上

只有简单的读取，赋值是原子操作，还只能是用数字赋值，用变量的话还多了一步读取变量值的操作。有个例外是，虚拟机规范中允许对64位数据类型(long和double)，分为2次32为的操作来处理，但是最新JDK实现还是实现了原子操作的。

JMM只实现了基本的原子性，像上面i++那样的操作，必须借助于synchronized和Lock来保证整块代码的原子性了。线程在释放锁之前，必然会把i的值刷回到主存的。

5.1.2 可见性(Visibility)：

当一个变量被volatile修饰时，那么对它的修改会立刻刷新到主存，当其它线程需要读取该变量时，会去内存中读取新值。而普通变量则不能保证这一点。

其实通过synchronized和Lock也能够保证可见性，线程在释放锁之前，会把共享变量值都刷回主存，但是synchronized和Lock的开销都更大。

5.1.3 有序性（Ordering）：

JMM是允许编译器和处理器对指令重排序的，但是规定了as-if-serial语义，即不管怎么重排序，程序的执行结果不能改变。比如下面的程序段：

double pi = 3.14;    //A
double r = 1;        //B
double s= pi * r * r;//C

上面的语句，可以按照A->B->C执行，结果为3.14,但是也可以按照B->A->C的顺序执行，因为A、B是两句独立的语句，而C则依赖于A、B，所以A、B可以重排序，但是C却不能排到A、B的前面。JMM保证了重排序不会影响到单线程的执行，但是在多线程中却容易出问题。

5.2 JAVA内存模型

每一个线程运行时都有一个线程栈，线程栈保存了线程运行时候变量值信息。当线程访问某一个对象时候值的时候，首先通过对象的引用找到对应在堆内存的变量的值，然后把堆内存变量的具体值load到线程本地内存中，建立一个变量副本，之后线程就不再和对象在堆内存变量值有任何关系，而是直接修改副本变量的值,在修改完之后的某一个时刻（线程退出之前），自动把线程变量副本的值回写到对象在堆中变量。这样在堆中的对象的值就产生变化了。 下面一幅图:

5.3 volatile关键字（不具备原子性）

5.3.1 volatile关键字的两层语义

一旦一个共享变量（类的成员变量、类的静态成员变量）被volatile修饰之后，那么就具备了两层语义：

• 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，这新值对其他线程来说是立即可见的。
• 禁止进行指令重排序。

5.3.2 volatile的工作

volatile关键字的作用是强制从公共堆栈中取得变量的值，而不是从线程私有数据栈中取得变量的值。

共享内存是在主存中，读取的时候考虑性能可能 CPU 会将这块共享内存复制到缓存中（多核处理器每个 CPU 都有一个缓存），由于工作线程访问该共享内存的时候，先从缓存中获取，如果获取不到再从主存中获取，如下图所示：


线程在工作内存中修改完共享变量后，会将其值同步回共享变量所在主存区域，此时需要访问主存，但是如果这块主存缓存过的话，并不会把值写回内存，而是写入缓存；对于其他 CPU 上的线程来说，如果需要访问 flag ，也会直接先从自己的缓存中获取该变量的值，即使该 flag 的值已经改变，其他线程读取到的也只能是自己缓存中已过期的值。如果加了 volatile 关键字，那么对该变量的读会直接从主存中读取，对该变量的写也直接写入主存，相当于使缓存无效。

5.3.2 volatile和synchronized对比

• 关键字volatile是轻量级的实现（利用汇编的lock），所以其效率要高于synchronized，并且volatile只能修饰变量，而synchronized可以修饰方法，以及代码块。但是随着新版的JDK的发布，synchronized关键字在执行效率上得到了很大的提升，在开发中使用synchronized的比例还是比较大的。
• 多线程访问volatile不会阻塞，但是synchronized会出现阻塞。
• volatile能保证数据的可见性，但是不能保证原子性；而synchronized可以保证原子性，也可以间接保证可见性，因为他会将私有内存和公有内存中的数据同步。
• volatile解决的是变量在多线程之间的可见性，而synchronized关键字解决的是多个线程之间访问资源的同步性。

5.4 扩展

5.4.1 volatile为什么不能保证原子性呢？

以volatile int i = 10；i++；为例分析：
i++实际为load、Increment、store三个操作。

某一时刻线程1将i的值load取出来，放置到cpu缓存中，然后再将此值放置到寄存器A中，然后A中的值自增1（寄存器A中保存的是中间值，没有直接修改i，因此其他线程并不会获取到这个自增1的值）。如果在此时线程2也执行同样的操作，获取值i10,自增1变为11，然后马上刷入主内存。此时由于线程2修改了i的值，实时的线程1中的i10的值缓存失效，重新从主内存中读取，变为11。接下来线程1恢复。将自增过后的A寄存器值11赋值给cpu缓存i。这样就出现了线程安全问题。

5.4.2 synchronized相对于volatile又是如何保证原子性呢？

• volatile：从最终汇编语言从面来看，volatile使得每次将i进行了修改之后，增加了一个内存屏障lock addl $0x0,(%rsp)保证修改的值必须刷新到主内存才能进行内存屏障后续的指令操作。但是内存屏障之前的指令并不是原子的。

• synchronized：则是使用lock cmpxchg %rsi,(%rdi)的原子指令，使得修改是原子操作。如果修改失败，则继续尝试，直到成功。