volatile-最轻量级的并发实现及其内存语义

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一、volatile定义

volatile是java并发编程中修饰类的成员变量、成员属性或者对象的一个关键字。是java并发编程中最轻量级的并发实现，保证所修饰的变量对多个线程内存可见。在一个线程写，多个线程读的场景下，首选使用volatile关键字。

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二、使用案例

此处用一个线程安全的单例模式来说明volatile具体的使用场景和原理，首先，线程安全的单例模式是很多面试官都喜欢考察面试者的一个问题，网络上各种博客都谈到饿汉式，懒汉式单例模式的编写方式，也提到过一个双重检查模式的单例模式，双重检查单例模式代码如下：

相信很多人认为这已经是线程安全的单例模式了，然而这真的是线程安全的吗？其实不是，为什么呢？原因其实很简单，如果两个线程调用getInstance()方法的时候，其中某一个线程正在执行第一重检查，另外一个线程正在执行第二重检查中的instance = new Singlton()的时候，此时这句实例化的代码在我们看来只有一句，但翻译成cpu能运行的指令的时候会变成三句：（1）给instance分配一个栈指针，（2）给Singlton对象分配堆内存，（3）将栈指针指向堆内存。那么cpu在做这三步操作的时候执行顺序会重排序（cpu按自己的规则重新排序后执行），即执行顺序可能是（1）（3）（2），那么问题就来了，当执行（1）后，假如第一个线程正在执行第一重检查，那么此时会发现instance并不为空，就直接返回了。然而实际对象分配堆内存还没完成，此时就会造成instance只是一个空的指针。当我们调用Singlton对象中的成员变量时，就会出错。问题出来了，那么解决方法非常简单，就是使用该文章的主题--volatile关键字，在我们对象成员变量上加上volatile即可。

private static volatile Singlton instance ;

三、深入剖析

要理解透彻volatile的原理需要明白cpu指令重排序、内存屏障以及线程的本地缓存和主内存等相关知识。指令重排序：以上的示例也说明了cpu在执行一条我们编写的代码的时候，首先会编译成汇编语言，最终编译成二进制指令后在cpu的寄存器上进行存取并执行。即一条代码会变成n条指令，cpu执行这n条指令的时候，不会老老实实的按顺序进行执行，而是会按一定的规则（可能是先简单后复杂，

先加减后乘除等等）重新排序后执行。这就是指令重排序。重排序的类型有编译器优化重排序，指令级并行重排序，内存系统重排序。

内存屏障：这是针对并发下重排序带来的问题的一种解决方案，现代cpu都有的一种内存屏障类型是：StoreLoad Barriers，另外还有三种分别是：LoadLoad Barriers、StoreStore Barriers以及LoadStore Barriers.

线程的本地缓存与主内存：

（1）、每个线程都会有自己的本地缓存，如上图所示，线程A，线程B都会有自己的本地缓存，用来缓存线程本身所需要使用的数据。

（2）、正常情况下，当线程A改变了自己本地缓存中的a变量的值，并不会马上刷新到主内存，同理，线程B也一样。

（3）、如果给a变量加上volatile修饰，那么当线程A改变了本地缓存中a的值后，cpu会强制将线程A的本地缓存中的a变量的值刷新到主内存，即让主内存的a的值与线程A的本地缓存中的a值一致。且同时让线程B中的本地缓存中的a失效，那么当线程B要使用本地缓存中的a变量的时候，会重新到主内存读取并刷新自己的本地缓存。这就是volatile的内存语义。然后回头解释案例中为何加入volatile修饰就保证了真正的线程安全，直接来说就是一句话：volatile修饰的变量在cpu底层执行的时候插入了相关的内存屏障禁止指令进行重排序。具体来说是在volalite写操作前插入StoreStore屏障，写操作后面插入StoreLoad屏障，在volatile读操作的后面连续插入LoadLoad屏障和LoadStore屏障。
总结：volatile关键字修饰的变量具有内存可见性，对一个volatile变量的读，总是能看到（任意线程）对这个变量最后的写入。volatile的并发实现是利用cpu的lock前缀指令对消息总线进行加锁，同时让volatile当前所在线程的本地缓存内容强行刷进主内存，并让其他使用了该变量的本地缓存失效，当其他线程需要使用volatile所修饰的变量的时候就会重新到主内存中读取。

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