內(nèi)存模型相關概念

大家都知道，計算機在執(zhí)行程序時，每條指令都是在CPU中執(zhí)行的，而執(zhí)行指令過程中，勢必涉及到數(shù)據(jù)的讀取和寫入。這時就存在一個問題，由于CPU執(zhí)行速度很快，而從內(nèi)存讀取數(shù)據(jù)和向內(nèi)存寫入數(shù)據(jù)的過程則慢得多(不是一個數(shù)量級)，因此如果任何時候?qū)?shù)據(jù)的操作都要通過和內(nèi)存的交互來進行，會大大降低指令執(zhí)行的速度。因此在CPU里面就有了高速緩存。

也就是說，當程序在運行過程中，會將運算需要的數(shù)據(jù)從主內(nèi)存復制一份到CPU的高速緩存當中，那么CPU進行計算時就可以直接從它的高速緩存讀取數(shù)據(jù)和向其中寫入數(shù)據(jù)，當運算結束之后，再將高速緩存中的數(shù)據(jù)刷新到主內(nèi)存當中。

[[252831]]

舉個簡單的例子，比如下面的這段代碼：

i = i + 1;1 

當線程執(zhí)行這個語句時，會先從主存當中讀取i的值，然后復制一份到高速緩存當中，然后CPU執(zhí)行指令對i進行加1操作，然后將數(shù)據(jù)寫入高速緩存，***將高速緩存中i***的值刷新到主存當中。

這個代碼在單線程中運行是沒有任何問題的，但是在多線程中運行就會有問題了。在多核CPU中，每條線程可能運行于不同的CPU中，因此每個線程運行時有自己的高速緩存。比如同時有2個線程執(zhí)行這段代碼，假如初始時i的值為0，那么我們希望兩個線程執(zhí)行完之后i的值變?yōu)?。但可能存在下面一種情況：初始時，兩個線程分別讀取i的值存入各自所在的CPU的高速緩存當中，然后線程1進行加1操作，然后把i的***值1寫入到內(nèi)存。此時線程2的高速緩存當中i的值還是0，進行加1操作之后，i的值為1，然后線程2把i的值寫入內(nèi)存。最終結果i的值是1，而不是2。這就是著名的緩存一致性問題。也就是說，如果一個變量在多個CPU中都存在緩存(一般在多線程編程時才會出現(xiàn))，那么就可能存在緩存不一致的問題。

解決方法：

• 通過在總線加LOCK鎖的方式
• 通過緩存一致性協(xié)議

在早期的CPU中，都是通過LOCK鎖的方式來實現(xiàn)的。因為CPU和其他部件進行通信都是通過總線來進行的，如果對總線加LOCK鎖的話，會阻塞其他CPU對其他部件訪問(如內(nèi)存)，從而使得只有一個CPU能使用這個變量的內(nèi)存。比如上面例子中如果一個線程在執(zhí)行 i = i +1，如果在執(zhí)行這段代碼的過程中，在總線上發(fā)出了LCOK鎖的信號，那么只有等待這段代碼執(zhí)行完畢之后，其他CPU才能從變量i所在的內(nèi)存讀取變量，然后進行相應的操作。這樣就解決了緩存不一致的問題。

但是上面的方式會有一個問題，由于在鎖住總線期間，其他CPU無法訪問內(nèi)存，導致效率低下。

所以就出現(xiàn)了緩存一致性協(xié)議。最出名的就是Intel的MESI協(xié)議，MESI協(xié)議保證了每個緩存中使用的共享變量的副本是一致的。它核心的思想是：當CPU寫數(shù)據(jù)時，如果發(fā)現(xiàn)操作的變量是共享變量，即在其他CPU中也存在該變量的副本，會發(fā)出信號通知其他CPU將該變量的緩存行置為無效狀態(tài)，因此當其他CPU需要讀取這個變量時，發(fā)現(xiàn)自己緩存中該變量的緩存行是無效的，那么它就會從內(nèi)存重新讀取。

Java內(nèi)存區(qū)域與Java內(nèi)存模型

Java內(nèi)存區(qū)域

我們在《深入理解Java虛擬機》第2章 Java內(nèi)存區(qū)域與內(nèi)存溢出異常一文中已經(jīng)詳細講解過Java內(nèi)存區(qū)域，現(xiàn)在我們再簡單歸納一下。

方法區(qū)(Method Area)

方法區(qū)屬于線程共享的內(nèi)存區(qū)域，又稱Non-Heap(非堆)，主要用于存儲已被虛擬機加載的類信息、常量、靜態(tài)變量、即時編譯器編譯后的代碼等數(shù)據(jù)，根據(jù)Java 虛擬機規(guī)范的規(guī)定，當方法區(qū)無法滿足內(nèi)存分配需求時，將拋出OutOfMemoryError 異常。值得注意的是在方法區(qū)中存在一個叫運行時常量池(Runtime Constant Pool)的區(qū)域，它主要用于存放編譯器生成的各種字面量和符號引用，這些內(nèi)容將在類加載后存放到運行時常量池中，以便后續(xù)使用。

JVM堆(Java Heap)

Java 堆也是屬于線程共享的內(nèi)存區(qū)域，它在虛擬機啟動時創(chuàng)建，是Java 虛擬機所管理的內(nèi)存中***的一塊，主要用于存放對象實例，幾乎所有的對象實例都在這里分配內(nèi)存，注意Java 堆是垃圾收集器管理的主要區(qū)域，因此很多時候也被稱做GC 堆，如果在堆中沒有內(nèi)存完成實例分配，并且堆也無法再擴展時，將會拋出OutOfMemoryError 異常。

程序計數(shù)器(Program Counter Register)

屬于線程私有的數(shù)據(jù)區(qū)域，是一小塊內(nèi)存空間，主要代表當前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼行號指示器。字節(jié)碼解釋器工作時，通過改變這個計數(shù)器的值來選取下一條需要執(zhí)行的字節(jié)碼指令，分支、循環(huán)、跳轉(zhuǎn)、異常處理、線程恢復等基礎功能都需要依賴這個計數(shù)器來完成。

虛擬機棧(Java Virtual Machine Stacks)

屬于線程私有的數(shù)據(jù)區(qū)域，與線程同時創(chuàng)建，總數(shù)與線程關聯(lián)，代表Java方法執(zhí)行的內(nèi)存模型。每個方法執(zhí)行時都會創(chuàng)建一個棧楨來存儲方法的的變量表、操作數(shù)棧、動態(tài)鏈接方法、返回值、返回地址等信息。每個方法從調(diào)用直結束就對于一個棧楨在虛擬機棧中的入棧和出棧過程，如下：

本地方法棧(Native Method Stacks)

本地方法棧屬于線程私有的數(shù)據(jù)區(qū)域，這部分主要與虛擬機用到的 Native 方法相關，一般情況下，我們無需關心此區(qū)域。

Java內(nèi)存模型

Java內(nèi)存模型(即Java Memory Model，簡稱JMM)本身是一種抽象的概念，并不真實存在，它描述的是一組規(guī)則或規(guī)范，主要目標是定義程序中各個變量的訪問規(guī)則，即在虛擬機中將變量存儲到內(nèi)存和從內(nèi)存中取出變量這樣的底層細節(jié)。

JMM與Java內(nèi)存區(qū)域的劃分是不同的概念層次，更恰當說JMM描述的是一組規(guī)則，通過這組規(guī)則控制程序中各個變量在共享數(shù)據(jù)區(qū)域和私有數(shù)據(jù)區(qū)域的訪問方式，JMM是圍繞原子性、有序性、可見性展開的。JMM與Java內(nèi)存區(qū)域唯一相似點，都存在共享數(shù)據(jù)區(qū)域和私有數(shù)據(jù)區(qū)域，在JMM中主內(nèi)存屬于共享數(shù)據(jù)區(qū)域，從某個程度上講應該包括了堆和方法區(qū)，而工作內(nèi)存數(shù)據(jù)線程私有數(shù)據(jù)區(qū)域，從某個程度上講則應該包括程序計數(shù)器、虛擬機棧以及本地方法棧?；蛟S在某些地方，我們可能會看見主內(nèi)存被描述為堆內(nèi)存，工作內(nèi)存被稱為線程棧，實際上他們表達的都是同一個含義。關于JMM中的主內(nèi)存和工作內(nèi)存說明如下：

主內(nèi)存

主要存儲的是Java實例對象，所有線程創(chuàng)建的實例對象都存放在主內(nèi)存中，不管該實例對象是成員變量還是方法中的局部變量，當然也包括了共享的類信息、常量、靜態(tài)變量。由于是共享數(shù)據(jù)區(qū)域，多條線程對同一個變量進行訪問可能會發(fā)現(xiàn)線程安全問題。

工作內(nèi)存

主要存儲當前方法的所有本地變量信息(工作內(nèi)存中存儲著主內(nèi)存中的變量副本拷貝)，每個線程只能訪問自己的工作內(nèi)存，即線程中的本地變量對其它線程是不可見的，就算是兩個線程執(zhí)行的是同一段代碼，它們也會各自在自己的工作內(nèi)存中創(chuàng)建屬于當前線程的本地變量，當然也包括了字節(jié)碼行號指示器、相關Native方法的信息。注意由于工作內(nèi)存是每個線程的私有數(shù)據(jù)，線程間無法相互訪問工作內(nèi)存，因此存儲在工作內(nèi)存的數(shù)據(jù)不存在線程安全問題。

JMM內(nèi)存交互

關于主內(nèi)存與工作內(nèi)存之間具體的交互協(xié)議，即一個變量如何從主內(nèi)存拷貝到工作內(nèi)存、如何從工作內(nèi)存同步回主內(nèi)存之類的實現(xiàn)細節(jié)，Java內(nèi)存模型中定義了以下8種操作來完成，虛擬機實現(xiàn)時必須保證下面提及的每一種操作都是原子的、不可再分的。

lock(鎖定)：作用于主內(nèi)存的變量，它把一個變量標識為一條線程獨占的狀態(tài)。

unlock(解鎖)：作用于主內(nèi)存的變量，它把一個處于鎖定狀態(tài)的變量釋放出來，釋放后的變量才可以被其他線程鎖定。

read(讀取)：作用于主內(nèi)存的變量，它把一個變量的值從主內(nèi)存?zhèn)鬏數(shù)骄€程的工作內(nèi)存中，以便隨后的load動作使用。

load(載入)：作用于工作內(nèi)存的變量，它把read操作從主內(nèi)存中得到的變量值放入工作內(nèi)存的變量副本中。

use(使用)：作用于工作內(nèi)存的變量，它把工作內(nèi)存中一個變量的值傳遞給執(zhí)行引擎，每當虛擬機遇到一個需要使用到變量的值的字節(jié)碼指令時將會執(zhí)行這個操作。

assign(賦值)：作用于工作內(nèi)存的變量，它把一個從執(zhí)行引擎接收到的值賦給工作內(nèi)存的變量，每當虛擬機遇到一個給變量賦值的字節(jié)碼指令時執(zhí)行這個操作。

store(存儲)：作用于工作內(nèi)存的變量，它把工作內(nèi)存中一個變量的值傳送到主內(nèi)存 中，以便隨后的write操作使用。

write(寫入)：作用于主內(nèi)存的變量，它把store操作從工作內(nèi)存中得到的變量的值放入主內(nèi)存的變量中。

如果要把一個變量從主內(nèi)存復制到工作內(nèi)存，那就要順序地執(zhí)行read和load操作，如果要把變量從工作內(nèi)存同步回主內(nèi)存，就要順序地執(zhí)行store和write操作。注意，Java內(nèi)存模型只要求上述兩個操作必須按順序執(zhí)行，而沒有保證是連續(xù)執(zhí)行。也就是說，read與load之間、store與write之間是可插入其他指令的，如對主內(nèi)存中的變量a、b進行訪問時，一種可能出現(xiàn)順序是read a、read b、load b、load a。

原子性、可見性與有序性

在并發(fā)編程中，我們通常會遇到以下三個問題：原子性問題，可見性問題，有序性問題。我們先看具體看一下這三個概念：

原子性

原子性：即一個操作或者多個操作，要么全部執(zhí)行并且執(zhí)行的過程不會被任何因素打斷，要么就都不執(zhí)行。

舉個最簡單的例子，大家想一下假如為一個32位的變量賦值過程不具備原子性的話，會發(fā)生什么后果?

i = 9;1 

假若一個線程執(zhí)行到這個語句時，我暫且假設為一個32位的變量賦值包括兩個過程：為低16位賦值，為高16位賦值。那么就可能發(fā)生一種情況：當將低16位數(shù)值寫入之后，突然被中斷，而此時又有一個線程去讀取i的值，那么讀取到的就是錯誤的數(shù)據(jù)。

來看看下面語句：

x = 10;        //語句1 
y = x;         //語句2 
x++;           //語句3 
x = x + 1;     //語句41234 

只有語句1是原子性操作，其他三個語句都不是原子性操作。

語句2實際上包含2個操作，它先要去讀取x的值，再將x的值寫入工作內(nèi)存，雖然讀取x的值以及將x的值寫入工作內(nèi)存這2個操作都是原子性操作，但是合起來就不是原子性操作了。

同樣的，x++和 x = x+1包括3個操作：讀取x的值，進行加1操作，寫入新的值。

也就是說，只有簡單的讀取、賦值(而且必須是將數(shù)字賦值給某個變量，變量之間的相互賦值不是原子操作)才是原子操作。

可見性

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。

舉個簡單的例子，看下面這段代碼：

//線程1執(zhí)行的代碼

int i = 0; 
i = 10; 

//線程2執(zhí)行的代碼

j = i;123456 

由上面的分析可知，當線程1執(zhí)行 i =10這句時，會先把i的初始值加載到線程1的工作內(nèi)存中，然后賦值為10，那么線程1工作內(nèi)存中i的值變?yōu)?0了，卻沒有立即寫入到主內(nèi)存當中。此時線程2執(zhí)行 j = i，它會先去主內(nèi)存讀取i的值并加載到線程2的工作內(nèi)存，注意此時主內(nèi)存當中i的值還是0，那么就會使得j的值為0，而不是10。這就是可見性問題，線程1對變量i修改了之后，線程2沒有立即看到線程1修改的值。

有序性

有序性：即程序執(zhí)行的順序按照代碼的先后順序執(zhí)行。

一般來說，處理器為了提高程序運行效率，可能會對輸入代碼進行優(yōu)化，它不保證程序中各個語句的執(zhí)行先后順序同代碼中的順序一致，但是它會保證程序最終執(zhí)行結果和代碼順序執(zhí)行的結果是一致的。

舉個簡單的例子，看下面這段代碼：

int i = 0;               
boolean flag = false; 
i = 1;                //語句1   
flag = true;          //語句21234 

上面代碼定義了一個int型變量，定義了一個boolean類型變量，然后分別對兩個變量進行賦值操作。從代碼順序上看，語句1是在語句2前面的，那么JVM在真正執(zhí)行這段代碼的時候會保證語句1一定會在語句2前面執(zhí)行嗎?不一定，為什么呢?這里可能會發(fā)生指令重排序(Instruction Reorder)。比如上面的代碼中，語句1和語句2誰先執(zhí)行對最終的程序結果并沒有影響，那么就有可能在執(zhí)行過程中，語句2先執(zhí)行而語句1后執(zhí)行。

但是要注意，雖然處理器會對指令進行重排序，但是它會保證程序最終結果會和代碼順序執(zhí)行結果相同，那么它靠什么保證的呢?再看下面一個例子：

int a = 10;    //語句1 
int r = 2;     //語句2 
a = a + 3;     //語句3 
r = a*a;       //語句41234 

這段代碼有4個語句，那么可能的一個執(zhí)行順序是：2->1->3->4

那么可不可能是這個執(zhí)行順序呢：2->1->4->3 ?

不可能，因為處理器在進行重排序時是會考慮指令之間的數(shù)據(jù)依賴性，如果一個指令Instruction 2必須用到Instruction 1的結果，那么處理器會保證Instruction 1會在Instruction 2之前執(zhí)行。

雖然重排序不會影響單個線程內(nèi)程序執(zhí)行的結果，但是多線程呢?下面看一個例子：

//線程1: 
context = loadContext();   //語句1 
inited = true;             //語句2 
 
//線程2: 
while(!inited ){ 
  sleep() 
} 
doSomethingwithconfig(context);123456789 

上面代碼中，由于語句1和語句2沒有數(shù)據(jù)依賴性，因此可能會被重排序。假如發(fā)生了重排序，在線程1執(zhí)行過程中先執(zhí)行語句2，而此是線程2會以為初始化工作已經(jīng)完成，那么就會跳出while循環(huán)，去執(zhí)行doSomethingwithconfig(context)方法，而此時context并沒有被初始化，就會導致程序出錯。

從上面可以看出，指令重排序不會影響單個線程的執(zhí)行，但是會影響到線程并發(fā)執(zhí)行的正確性。

備注：

指令重排序，一般分以下3種：

編譯器優(yōu)化的重排序

編譯器在不改變單線程程序語義的前提下，可以重新安排語句的執(zhí)行順序。

指令并行的重排序

現(xiàn)代處理器采用了指令級并行技術來將多條指令重疊執(zhí)行。如果不存在數(shù)據(jù)依賴性(即后一個執(zhí)行的語句無需依賴前面執(zhí)行的語句的結果)，處理器可以改變語句對應的機器指令的執(zhí)行順序

內(nèi)存系統(tǒng)的重排序

由于處理器使用緩存和讀/寫緩沖區(qū)，這使得加載(load)和存儲(store)操作看上去可能是在亂序執(zhí)行，因為三級緩存的存在，導致內(nèi)存與緩存的數(shù)據(jù)同步存在時間差。

從java源代碼到最終實際執(zhí)行的指令序列，會分別經(jīng)歷下面三種重排序：

上述的1屬于編譯器重排序，2和3屬于處理器重排序。

JMM的解決方案

那么Java內(nèi)存模型規(guī)定了哪些東西呢，它定義了程序中變量的訪問規(guī)則，往大一點說是定義了程序執(zhí)行的次序。注意，為了獲得較好的執(zhí)行性能，Java內(nèi)存模型并沒有限制執(zhí)行引擎使用處理器的寄存器或者高速緩存來提升指令執(zhí)行速度，也沒有限制編譯器對指令進行重排序。也就是說，在java內(nèi)存模型中，也會存在緩存一致性問題和指令重排序的問題。

那么Java語言本身對原子性、可見性以及有序性提供了哪些保證呢?

原子性

上面講過了JMM內(nèi)存交互的8種指令，這些指令全部都是原子性的操作。

Java內(nèi)存模型只保證了基本讀取和賦值是原子性操作，如果要實現(xiàn)更大范圍操作的原子性，可以通過synchronized和Lock來實現(xiàn)。由于synchronized和Lock能夠保證任一時刻只有一個線程執(zhí)行該代碼塊，那么自然就不存在原子性問題了，從而保證了原子性。

可見性

對于可見性，Java提供了volatile關鍵字來保證可見性。當一個共享變量被volatile修飾時，它會保證修改的值會立即被更新到主存，當有其他線程需要讀取時，它會去內(nèi)存中讀取新值。

另外，通過synchronized和Lock也能夠保證可見性，synchronized和Lock能保證同一時刻只有一個線程獲取鎖然后執(zhí)行同步代碼，并且在釋放鎖之前會將對變量的修改刷新到主存當中。因此可以保證可見性。

有序性

在Java內(nèi)存模型中，允許編譯器和處理器對指令進行重排序，但是重排序過程不會影響到單線程程序的執(zhí)行，卻會影響到多線程并發(fā)執(zhí)行的正確性。

在Java里面，可以通過volatile關鍵字來保證一定的“有序性”(具體原理在下一節(jié)講述)。另外可以通過synchronized和Lock來保證有序性，很顯然，synchronized和Lock保證每個時刻是有一個線程執(zhí)行同步代碼，相當于是讓線程順序執(zhí)行同步代碼，自然就保證了有序性。

happens-before 原則

倘若在程序開發(fā)中，僅靠sychronized和volatile關鍵字來保證原子性、可見性以及有序性，那么編寫并發(fā)程序可能會顯得十分麻煩，幸運的是，在Java內(nèi)存模型中，還提供了happens-before 原則來輔助保證程序執(zhí)行的原子性、可見性以及有序性的問題，它是判斷數(shù)據(jù)是否存在競爭、線程是否安全的依據(jù)，happens-before 原則內(nèi)容如下：

程序順序原則：一個線程內(nèi)，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額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：A先于B ，B先于C，那么A必然先于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(diào)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。

上述8條原則無需手動添加任何同步手段(synchronized|volatile)即可達到效果。

這8條規(guī)則中，前4條規(guī)則是比較重要的，后4條規(guī)則都是顯而易見的。

下面我們來解釋一下前4條規(guī)則：

(1)***條規(guī)則我的理解就是一段程序代碼的執(zhí)行在單個線程中看起來是有序的。這個規(guī)則是用來保證程序在單線程中執(zhí)行結果的正確性，但無法保證程序在多線程中執(zhí)行的正確性。

(2)第二條規(guī)則也比較容易理解，也就是說無論在單線程中還是多線程中，同一個鎖如果出于被鎖定的狀態(tài)，那么必須先對鎖進行了釋放操作，后面才能繼續(xù)進行l(wèi)ock操作。

(3)第三條規(guī)則是一條比較重要的規(guī)則，也是后文將要重點講述的內(nèi)容。直觀地解釋就是，如果一個線程先去寫一個變量，然后一個線程去進行讀取，那么寫入操作肯定會先行發(fā)生于讀操作。

(4)第四條規(guī)則實際上就是體現(xiàn)happens-before原則具備傳遞性。

深入剖析volatile關鍵字

在前面講述了很多東西，其實都是為講述volatile關鍵字作鋪墊，那么接下來我們就進入主題。

volatile語義

一旦一個共享變量(類的成員變量、類的靜態(tài)成員變量)被volatile修飾之后，那么就具備了兩層語義：

保證了不同線程對這個變量進行操作時的可見性，即一個線程修改了某個變量的值，這新值對其他線程來說是立即可見的。

禁止進行指令重排序。

先看一段代碼，假如線程1先執(zhí)行，線程2后執(zhí)行：

//線程1 
boolean stop = false; 
while(!stop){ 
    doSomething(); 
} 
 
//線程2 
stop = true;12345678 

這段代碼是很典型的一段代碼，很多人在中斷線程時可能都會采用這種標記辦法。但是事實上，這段代碼會完全運行正確么?即一定會將線程中斷么?不一定，也許在大多數(shù)時候，這個代碼能夠把線程中斷，但是也有可能會導致無法中斷線程(雖然這個可能性很小，但是只要一旦發(fā)生這種情況就會造成死循環(huán)了)。

下面解釋一下這段代碼為何有可能導致無法中斷線程。在前面已經(jīng)解釋過，每個線程在運行過程中都有自己的工作內(nèi)存，那么線程1在運行的時候，會將stop變量的值拷貝一份放在自己的工作內(nèi)存當中。那么當線程2更改了stop變量的值之后，但是還沒來得及寫入主存當中，線程2轉(zhuǎn)去做其他事情了，那么線程1由于不知道線程2對stop變量的更改，因此還會一直循環(huán)下去。

但是用volatile修飾之后就變得不一樣了：

***：使用volatile關鍵字會強制將修改的值立即寫入主存;

第二：使用volatile關鍵字的話，當線程2進行修改時，會導致線程1的工作內(nèi)存中緩存變量stop的緩存行無效(反映到硬件層的話，就是CPU的L1或者L2緩存中對應的緩存行無效);

第三：由于線程1的工作內(nèi)存中緩存變量stop的緩存行無效，所以線程1再次讀取變量stop的值時會去主存讀取。

那么在線程2修改stop值時(當然這里包括2個操作，修改線程2工作內(nèi)存中的值，然后將修改后的值寫入內(nèi)存)，會使得線程1的工作內(nèi)存中緩存變量stop的緩存行無效，然后線程1讀取時，發(fā)現(xiàn)自己的緩存行無效，它會等待緩存行對應的主存地址被更新之后，然后去對應的主存讀取***的值。

volatile保證原子性嗎?

從上面知道volatile關鍵字保證了操作的可見性，但是volatile能保證對變量的操作是原子性嗎?

public class Test { 
    public volatile int inc = 0; 
 
    public void increase() { 
        inc++; 
    } 
 
    public static void main(String[] args) { 
        final Test test = new Test(); 
        for(int i=0;i<10;i++){ 
            new Thread(){ 
                public void run() { 
                    for(int j=0;j<1000;j++) 
                        test.increase(); 
                }; 
            }.start(); 
        } 
 
        while(Thread.activeCount()>1)  //保證前面的線程都執(zhí)行完 
            Thread.yield(); 
        System.out.println(test.inc); 
    } 
}1234567891011121314151617181920212223 

大家想一下這段程序的輸出結果是多少?也許有些朋友認為是10000。但是事實上運行它會發(fā)現(xiàn)每次運行結果都不一致，都是一個小于10000的數(shù)字。

可能有的朋友就會有疑問，不對啊，上面是對變量inc進行自增操作，由于volatile保證了可見性，那么在每個線程中對inc自增完之后，在其他線程中都能看到修改后的值啊，所以有10個線程分別進行了1000次操作，那么最終inc的值應該是1000*10=10000。

這里面就有一個誤區(qū)了，volatile關鍵字能保證可見性沒有錯，但是上面的程序錯在沒能保證原子性?？梢娦灾荒鼙ＷC每次讀取的是***的值，但是volatile沒辦法保證對變量的操作的原子性。

在前面已經(jīng)提到過，自增操作是不具備原子性的，它包括讀取變量的原始值、進行加1操作、寫入工作內(nèi)存。就有可能導致下面這種情況出現(xiàn)：假如某個時刻變量inc的值為10，線程1對變量進行自增操作，線程1先讀取了變量inc的原始值，然后線程1被阻塞了;然后線程2對變量進行自增操作，線程2也去讀取變量inc的原始值，由于線程1只是對變量inc進行讀取操作，而沒有對變量進行修改操作，所以不會導致線程2的工作內(nèi)存中緩存變量inc的緩存行無效，所以線程2會直接去主存讀取inc的值，發(fā)現(xiàn)inc的值時10，然后進行加1操作，并把11寫入工作內(nèi)存，***寫入主存。然后線程1接著進行加1操作，由于已經(jīng)讀取了inc的值，注意此時在線程1的工作內(nèi)存中inc的值仍然為10，所以線程1對inc進行加1操作后inc的值為11，然后將11寫入工作內(nèi)存，***寫入主存。那么兩個線程分別進行了一次自增操作后，inc只增加了1。

解釋到這里，可能有朋友會有疑問，不對啊，前面不是保證一個變量在修改volatile變量時，會讓緩存行無效嗎?然后其他線程去讀就會讀到新的值，對，這個沒錯。這個就是上面的happens-before規(guī)則中的volatile變量規(guī)則，但是要注意，線程1對變量進行讀取操作之后，被阻塞了的話，并沒有對inc值進行修改。然后雖然volatile能保證線程2對變量inc的值讀取是從內(nèi)存中讀取的，但是線程1沒有進行修改，所以線程2根本就不會看到修改的值。

根源就在這里，自增操作不是原子性操作，而且volatile也無法保證對變量的任何操作都是原子性的。

把上面的代碼改成以下任何一種都可以達到效果：

采用synchronized：

public class Test { 
    public  int inc = 0; 
 
    public synchronized void increase() { 
        inc++; 
    } 
 
    public static void main(String[] args) { 
        final Test test = new Test(); 
        for(int i=0;i<10;i++){ 
            new Thread(){ 
                public void run() { 
                    for(int j=0;j<1000;j++) 
                        test.increase(); 
                }; 
            }.start(); 
        } 
 
        while(Thread.activeCount()>1)  //保證前面的線程都執(zhí)行完 
            Thread.yield(); 
        System.out.println(test.inc); 
    } 
}1234567891011121314151617181920212223 
 
采用Lock： 
 
 
 
public class Test { 
    public  int inc = 0; 
    Lock lock = new ReentrantLock(); 
 
    public  void increase() { 
        lock.lock(); 
        try { 
            inc++; 
        } finally{ 
            lock.unlock(); 
        } 
    } 
 
    public static void main(String[] args) { 
        final Test test = new Test(); 
        for(int i=0;i<10;i++){ 
            new Thread(){ 
                public void run() { 
                    for(int j=0;j<1000;j++) 
                        test.increase(); 
                }; 
            }.start(); 
        } 
 
        while(Thread.activeCount()>1)  //保證前面的線程都執(zhí)行完 
            Thread.yield(); 
        System.out.println(test.inc); 
    } 
}1234567891011121314151617181920212223242526272829 

采用Lock：

public class Test { 
    public AtomicInteger inc = new AtomicInteger(); 
 
    public void increase() { 
        inc.getAndIncrement(); 
    } 
 
    public static void main(String[] args) { 
        final Test test = new Test(); 
        for(int i=0;i<10;i++){ 
            new Thread(){ 
                public void run() { 
                    for(int j=0;j<1000;j++) 
                        test.increase(); 
                }; 
            }.start(); 
        } 
 
        while(Thread.activeCount()>1)  //保證前面的線程都執(zhí)行完 
            Thread.yield(); 
        System.out.println(test.inc); 
    } 
}1234567891011121314151617181920212223 

在java 1.5的java.util.concurrent.atomic包下提供了一些原子操作類，即對基本數(shù)據(jù)類型的 自增(加1操作)，自減(減1操作)、以及加法操作(加一個數(shù))，減法操作(減一個數(shù))進行了封裝，保證這些操作是原子性操作。atomic是利用CAS來實現(xiàn)原子性操作的(Compare And Swap)，CAS實際上是利用處理器提供的CMPXCHG指令實現(xiàn)的，而處理器執(zhí)行CMPXCHG指令是一個原子性操作。

volatile能保證有序性嗎?

在前面提到volatile關鍵字能禁止指令重排序，所以volatile能在一定程度上保證有序性。

volatile關鍵字禁止指令重排序有兩層意思：

當程序執(zhí)行到volatile變量的讀操作或者寫操作時，在其前面的操作的更改肯定全部已經(jīng)進行，且結果已經(jīng)對后面的操作可見;在其后面的操作肯定還沒有進行;

在進行指令優(yōu)化時，不能將在對volatile變量訪問的語句放在其后面執(zhí)行，也不能把volatile變量后面的語句放到其前面執(zhí)行。

舉個簡單的例子：

//x、y為非volatile變量 
//flag為volatile變量 
 
x = 2;        //語句1 
y = 0;        //語句2 
flag = true;  //語句3 
x = 4;         //語句4 
y = -1;       //語句512345678 

由于flag變量為volatile變量，那么在進行指令重排序的過程的時候，不會將語句3放到語句1、語句2前面，也不會講語句3放到語句4、語句5后面。但是要注意語句1和語句2的順序、語句4和語句5的順序是不作任何保證的。

并且volatile關鍵字能保證，執(zhí)行到語句3時，語句1和語句2必定是執(zhí)行完畢了的，且語句1和語句2的執(zhí)行結果對語句3、語句4、語句5是可見的。

那么我們回到前面舉的一個例子：

//線程1: 
context = loadContext();   //語句1 
inited = true;             //語句2 
 
//線程2: 
while(!inited ){ 
  sleep() 
} 
doSomethingwithconfig(context);123456789 

前面舉這個例子的時候，提到有可能語句2會在語句1之前執(zhí)行，那么久可能導致context還沒被初始化，而線程2中就使用未初始化的context去進行操作，導致程序出錯。

這里如果用volatile關鍵字對inited變量進行修飾，就不會出現(xiàn)這種問題了，因為當執(zhí)行到語句2時，必定能保證context已經(jīng)初始化完畢。

volatile的原理和實現(xiàn)機制

下面這段話摘自《深入理解Java虛擬機》：

“觀察加入volatile關鍵字和沒有加入volatile關鍵字時所生成的匯編代碼發(fā)現(xiàn)，加入volatile關鍵字時，會多出一個lock前綴指令”

lock前綴指令實際上相當于一個內(nèi)存屏障(也成內(nèi)存柵欄)，內(nèi)存屏障會提供3個功能：

它確保指令重排序時不會把其后面的指令排到內(nèi)存屏障之前的位置，也不會把前面的指令排到內(nèi)存屏障的后面;即在執(zhí)行到內(nèi)存屏障這句指令時，在它前面的操作已經(jīng)全部完成;

它會強制將對緩存的修改操作立即寫入主存;

如果是寫操作，它會導致其他CPU中對應的緩存行無效。

使用volatile關鍵字的場景

synchronized關鍵字是防止多個線程同時執(zhí)行一段代碼，那么就會很影響程序執(zhí)行效率，而volatile關鍵字在某些情況下性能要優(yōu)于synchronized，但是要注意volatile關鍵字是無法替代synchronized關鍵字的，因為volatile關鍵字無法保證操作的原子性。通常來說，使用volatile必須具備以下2個條件：

對變量的寫操作不依賴于當前值

該變量沒有包含在具有其他變量的不變式中

實際上，這些條件表明，可以被寫入 volatile 變量的這些有效值獨立于任何程序的狀態(tài)，包括變量的當前狀態(tài)。

事實上，我的理解就是上面的2個條件需要保證操作是原子性操作，才能保證使用volatile關鍵字的程序在并發(fā)時能夠正確執(zhí)行。

下面列舉幾個Java中使用volatile的幾個場景：

1.狀態(tài)標記量

volatile boolean flag = false; 
 
while(!flag){ 
    doSomething(); 
} 
 
public void setFlag() { 
    flag = true; 
}123456789 
 
volatile boolean inited = false; 
//線程1: 
context = loadContext();   
inited = true;             
 
//線程2: 
while(!inited ){ 
sleep() 
} 
doSomethingwithconfig(context);12345678910 

2.double check

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