浅析Volatile关键字

在java中线程并发中，线程之间通信方式分为两种：共享内存和消息传递。共享内存指的是多个线程之间共享内存的属性状态；消息传递指的是线程之间发送信息来通信。在介绍volatile，我们先了解一下共享内存一些基本概念。

JMM

Java内存模型（简称JMM）控制线程通信，可以分为主内存和本地内存，每个线程拥有一个本地内存。

如图，一般主存只有一个，根据线程数不同，本地内存（又称工作内存）数目也不同，本地内存是抽象出来的概念，实际上不存在。

线程之间通过内存来同步状态可以分为以下几个步骤：

1、线程1从主存获取变量x=1,假设此时其他线程x都为1

2、线程1将本地内存中x值修改为2

3、线程1将本地内存中x值放回主存

4、其他线程同步主存数据

以上，就是理想状态线程之间通过主存通信状态，保证了内存的可见性。

指令重排序

java程序在运行时，并不会严格按照程序代码编写的顺序执行代码，会对其进行重排序。例如以下例子：

在程序执行代码的时候，步骤1和步骤2可能被重排序，导致2可能在1之前先执行，但是重排序的前提是在单线程情况下不会改变运行结果，因此1和2可以重排序，但是3引用了1和2中的变量，因此3不会被重排序到1或者2之前。在单线程情况下，重排序不会影响，但在多线程中会导致结果不可预见，可以使用其他方法来保证有序性。

原子性操作

前面提到了可见性，有序性和原子性是在并发编程中最常遇见的三个概念。原子性指不可分割的操作。举例说明，在32为JVM中长度小于32为的数据读写都是原子性操作，但是64位数据结构的读写不是原子性操作。例子如下：

1、线程1和2中有共同变量x，为Long型

2、线程1将x改为LONG_MAX/2

3、线程1在修改本地内存中的值到主存时，先将Long的前32保存到主存中，此时主存中的x值为LONG_MAX/2的前32为加上LONG_MAX后32为，我们设为z

4、线程2读取主存中的x值并更新

5、线程1同步后32位数据到主存中，之后线程3也同步主存数据

最后可以看到，由于64为数据读写不是原子性的，单只线程2获取的数据为错误数据，如果，线程1同步主存的操作为原子性，那么就不会出现以上情况。

Volatile关键字

Volatile能够保证程序的原子性，例如将Long或者Double设置为volatile可以避免由于非原子性读写造成的数据不同步。但是，类似于x = x+1;这种类型的复合操作，volatile依旧服务保证原子性。

1、 volatile关键字x，线程1将x修改为LONG_MAX/2，主存为z

2、此时，由于x是volatile，因此线程要从主存读取这个值的时候，并不会主动到主存中获取，而是等到其他线程通知他再去获取。因此，线程1将完整的x值写到主存中。

3、之后，通知其他线程去获取x的值，以实现数值同步，保证原子性

由于volatile的值会及时将值刷新到主存中，volatile也保证了可见性。

那么volatile是否能保证有序性？个人见解是能在一定程度上保证数据的可见性，但是没有了解到有资料明确说明volatile保证了原子性。

volatile实际上设置了内存屏障，由于内存屏障的存在，保证了多线程下不会由于重排序导致数据不一致的问题。

是否重排序	第二个操作
第一个操作	普通读写	Volatile读	Volatile写
普通读写			No
Volatile读	No	No	No
Volatile写		No	No

可知volatile写之前的操作不会被重排序到之后；volatile读之后的操作不会被重排序到之前；第一个操作是volatile写，第二个操作是volatile读不会重排序。

JMM采取的内存屏障策略为：

1、在volatile写前面插入StoreStore屏障

2、在volatile写后面插入StoreLoad屏障

3、在volatile读后面插入LoadLoad屏障

4、在volatile读后面插入LoadStore屏障

StoreStore屏障保证volatile写之前的普通写刷新到主存当中，避免与前面普通写重排序；

StoreLoad屏障保证volatile写不会和之后的volatile读写重排序；

LoadLoad屏障禁止volatile读不会与下面的普通读重排序；

LoadStore屏障禁止volatile读不会与下面的普通写重排序。

具体可见p1，p2

一个例子

如下例子，线程1执行writer方法，线程2执行reader方法，由于JVM会进行重排序，因此可能的执行顺序为：

1、线程1执行步骤2，此时a的值还是0

2、线程2执行步骤3，因为重排序不会在引起单线程结果改变，因此不会先执行4

3、线程2执行步骤4,i的值为0

4、线程1执行步骤1

Int a = 0

Boolean flag =false

public void writer(){

　　a = 1;        //

　　flag = true;   //

}

public void reader(){

　　if(flag){      //

   　　int i = a;  //

　　}

}

可见，由于重排序导致结果改变，修改代码如下：

Int a = 0

volatile boolean flag =false

public void writer(){

    a = 1;        //

    flag = true;   //

}

public void reader(){

    if(flag){      //

    int i = a;  //

    }

}

执行步骤如下：

1、线程1执行1，因为volatile变量flag前面插入StoreStore屏障，不会重排序

2、线程1执行2；

3、线程2执行3；

4、线程2执行4，i为2；

结果符合预期。

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