前言

上一篇文章說了 CAS 原理，其中說到了 Atomic* 類，他們實現(xiàn)原子操作的機制就依靠了 volatile 的內存可見性特性。如果還不了解 CAS 和 Atomic*，建議看一下我們說的 CAS 自旋鎖是什么

并發(fā)的三個特性

首先說我們如果要使用 volatile 了，那肯定是在多線程并發(fā)的環(huán)境下。我們常說的并發(fā)場景下有三個重要特性：原子性、可見性、有序性。只有在滿足了這三個特性，才能保證并發(fā)程序正確執(zhí)行，否則就會出現(xiàn)各種各樣的問題。

原子性，上篇文章說到的 CAS 和 Atomic* 類，可以保證簡單操作的原子性，對于一些負責的操作，可以使用synchronized 或各種鎖來實現(xiàn)。

可見性，指當多個線程訪問同一個變量時，一個線程修改了這個變量的值，其他線程能夠立即看得到修改的值。

有序性，程序執(zhí)行的順序按照代碼的先后順序執(zhí)行，禁止進行指令重排序。看似理所當然的事情，其實并不是這樣，指令重排序是JVM為了優(yōu)化指令，提高程序運行效率，在不影響單線程程序執(zhí)行結果的前提下，盡可能地提高并行度。但是在多線程環(huán)境下，有些代碼的順序改變，有可能引發(fā)邏輯上的不正確。

而 volatile 做實現(xiàn)了兩個特性，可見性和有序性。所以說在多線程環(huán)境中，需要保證這兩個特性的功能，可以使用 volatile 關鍵字。

volatile 是如何保證可見性的

說到可見性，就要了解一下計算機的處理器和主存了。因為多線程，不管有多少個線程，最后還是要在計算機處理器中進行的，現(xiàn)在的計算機基本都是多核的，甚至有的機器是多處理器的。我們看一下多處理器的結構圖：

這是兩個處理器，四核的 CPU。一個處理器對應一個物理插槽，多處理器間通過QPI總線相連。一個處理器包含多個核，一個處理器間的多核共享L3 Cache。一個核包含寄存器、L1 Cache、L2 Cache。

在程序執(zhí)行的過程中，一定要涉及到數(shù)據(jù)的讀和寫。而我們都知道，雖然內存的訪問速度已經(jīng)很快了，但是比起CPU執(zhí)行指令的速度來，還是差的很遠的，因此，在內核中，增加了L1、L2、L3 三級緩存，這樣一來，當程序運行的時候，先將所需要的數(shù)據(jù)從主存復制一份到所在核的緩存中，運算完成后，再寫入主存中。下圖是 CPU 訪問數(shù)據(jù)的示意圖，由寄存器到高速緩存再到主存甚至硬盤的速度是越來越慢的。

了解了 CPU 結構之后，我們來看一下程序執(zhí)行的具體過程，拿一個簡單的自增操作舉例。

i=i+1;

執(zhí)行這條語句的時候，在某個核上運行的某線程將 i 的值拷貝一個副本到此核所在的緩存中，當運算執(zhí)行完成后，再回寫到主存中去。如果是多線程環(huán)境下，每一個線程都會在所運行的核上的高速緩存區(qū)有一個對應的工作內存，也就是每一個線程都有自己的私有工作緩存區(qū)，用來存放運算需要的副本數(shù)據(jù)。那么，我們再來看這個 i+1 的問題，假設 i 的初始值為0，有兩個線程同時執(zhí)行這條語句，每個線程執(zhí)行都需要三個步驟：

1、從主存讀取 i 值到線程工作內存，也就是對應的內核高速緩存區(qū)；

2、計算 i+1 的值；

3、將結果值寫回主存中；

建設兩個線程各執(zhí)行 10,000 次后，我們預期的值應該是 20,000 才對，可惜很遺憾，i 的值總是小于 20,000 的 。導致這個問題的其中一個原因就是緩存一致性問題，對于這個例子來說，一旦某個線程的緩存副本做了修改，其他線程的緩存副本應該立即失效才對。

而使用了 volatile 關鍵字后，會有如下效果：

1、每次對變量的修改，都會引起處理器緩存（工作內存）寫回到主存；

2、一個工作內存回寫到主存會導致其他線程的處理器緩存（工作內存）無效。

因為 volatile 保證內存可見性，其實是用到了 CPU 保證緩存一致性的 MESI 協(xié)議。MESI 協(xié)議內容較多，這里就不做說明，請各位同學自己去查詢一下吧?？傊昧?volatile 關鍵字，當某線程對 volatile 變量的修改會立即回寫到主存中，并且導致其他線程的緩存行失效，強制其他線程再使用變量時，需要從主存中讀取。

那么我們把上面的 i 變量用 volatile 修飾后，再次執(zhí)行，每個線程執(zhí)行 10,000 次。很遺憾，還是小于 20,000 的。這是為什么呢？

volatile 利用 CPU 的 MESI 協(xié)議確實保證了可見性。但是，注意了，volatile 并沒有保證操作的原子性，因為這個自增操作是分三步的，假設線程 1 從主存中讀取了 i 值，假設是 10 ，并且此時發(fā)生了阻塞，但是還沒有對i進行修改，此時線程 2 也從主存中讀取了 i 值，這時這兩個線程讀取的 i 值是一樣的，都是 10 ，然后線程 2 對 i 進行了加 1 操作，并立即寫回主存中。此時，根據(jù) MESI 協(xié)議，線程 1 的工作內存對應的緩存行會被置為無效狀態(tài)，沒錯。但是，請注意，線程 1 早已經(jīng)將 i 值從主存中拷貝過了，現(xiàn)在只要執(zhí)行加 1 操作和寫回主存的操作了。而這兩個線程都是在 10 的基礎上加 1 ，然后又寫回主存中，所以最后主存的值只是 11 ，而不是預期的 12 。

所以說，使用 volatile 可以保證內存可見性，但無法保證原子性，如果還需要原子性，可以參考，之前的這篇文章。

volatile 是如何保證有序性的

Java 內存模型具備一些先天的“有序性”，即不需要通過任何手段就能夠得到保證的有序性，這個通常也稱為 happens-before 原則。如果兩個操作的執(zhí)行次序無法從 happens-before 原則推導出來，那么它們就不能保證它們的有序性，虛擬機可以隨意地對它們進行重排序。

如下是 happens-before 的8條原則，摘自 《深入理解Java虛擬機》。

• 程序次序規(guī)則：一個線程內，按照代碼順序，書寫在前面的操作先行發(fā)生于書寫在后面的操作；
• 鎖定規(guī)則：一個 unLock 操作先行發(fā)生于后面對同一個鎖的 lock 操作；
• volatile 變量規(guī)則：對一個變量的寫操作先行發(fā)生于后面對這個變量的讀操作；
• 傳遞規(guī)則：如果操作A先行發(fā)生于操作B，而操作B又先行發(fā)生于操作C，則可以得出操作A先行發(fā)生于操作C；
• 線程啟動規(guī)則：Thread對象的start()方法先行發(fā)生于此線程的每個一個動作；
• 線程中斷規(guī)則：對線程interrupt()方法的調用先行發(fā)生于被中斷線程的代碼檢測到中斷事件的發(fā)生；
• 線程終結規(guī)則：線程中所有的操作都先行發(fā)生于線程的終止檢測，我們可以通過Thread.join()方法結束、Thread.isAlive()的返回值手段檢測到線程已經(jīng)終止執(zhí)行；
• 對象終結規(guī)則：一個對象的初始化完成先行發(fā)生于他的 finalize() 方法的開始；

這里主要說一下 volatile 關鍵字的規(guī)則，舉一個著名的單例模式中的雙重檢查的例子：

class Singleton{ 
 private volatile static Singleton instance = null; 
 private Singleton() {  
 } 
  
 public static Singleton getInstance() { 
  if(instance==null) {    // step 1
   synchronized (Singleton.class) { 
    if(instance==null)   // step 2
     instance = new Singleton(); //step 3
   } 
  } 
  return instance; 
 } 
} 

如果 instance 不用 volatile 修飾，可能產生什么結果呢，假設有兩個線程在調用 getInstance() 方法，線程 1 執(zhí)行步驟 step1 ，發(fā)現(xiàn) instance 為 null ，然后同步鎖住 Singleton 類，接著再次判斷 instance 是否為 null ，發(fā)現(xiàn)仍然是 null，然后執(zhí)行 step 3 ，開始實例化 Singleton 。而在實例化的過程中，線程 2 走到 step 1，有可能發(fā)現(xiàn) instance 不為空，但是此時 instance 有可能還沒有完全初始化。

什么意思呢，對象在初始化的時候分三個步驟，用下面的偽代碼表示：

memory = allocate(); //1. 分配對象的內存空間 
ctorInstance(memory); //2. 初始化對象
instance = memory; //3. 設置 instance 指向對象的內存空間

因為步驟 2 和步驟 3 需要依賴步驟 1，而步驟 2 和 步驟 3 并沒有依賴關系，所以這兩條語句有可能會發(fā)生指令重排，也就是或有可能步驟 3 在步驟 2 的之前執(zhí)行。在這種情況下，步驟 3 執(zhí)行了，但是步驟 2 還沒有執(zhí)行，也就是說 instance 實例還沒有初始化完畢，正好，在此刻，線程 2 判斷 instance 不為 null，所以就直接返回了 instance 實例，但是，這個時候 instance 其實是一個不完全的對象，所以，在使用的時候就會出現(xiàn)問題。

而使用 volatile 關鍵字，也就是使用了 “對一個 volatile修飾的變量的寫，happens-before于任意后續(xù)對該變量的讀” 這一原則，對應到上面的初始化過程，步驟2 和 3 都是對 instance 的寫，所以一定發(fā)生于后面對 instance 的讀，也就是不會出現(xiàn)返回不完全初始化的 instance 這種可能。

JVM 底層是通過一個叫做“內存屏障”的東西來完成。內存屏障，也叫做內存柵欄，是一組處理器指令，用于實現(xiàn)對內存操作的順序限制。

最后

通過 volatile 關鍵字，我們了解了一下并發(fā)編程中的可見性和有序性，當然只是簡單的了解。更深入的了解，還得靠各位同學自己去鉆研。

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我們說的 CAS 自旋鎖是什么

總結

以上就是這篇文章的全部內容了，希望本文的內容對大家的學習或者工作具有一定的參考學習價值，如果有疑問大家可以留言交流，謝謝大家對腳本之家的支持。

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