volatile关键字

三个作用

1. 使得变量修改对所有线程可见
2. 禁止指令重排
3. 不保证原子性 作用在单例模式中

我们先要从 CPU 缓存模型 说起！

CPU 缓存模型

为什么要弄一个 CPU 高速缓存呢

类比我们开发网站后台系统使用的缓存（比如 Redis）是为了解决程序处理速度和访问常规关系型数据库速度不对等的问题。 CPU 缓存则是为了解决 CPU 处理速度和内存处理速度不对等的问题。
我们甚至可以把 内存可以看作外存的高速缓存，程序运行的时候我们把外存的数据复制到内存，由于内存的处理速度远远高于外存，这样提高了处理速度。现在的计算机，cpu 在计算的时候，并不总是从内存读取数据，它的数据读取顺序优先级 是：寄存器－高速缓存－内存。
总结：CPU Cache 缓存的是内存数据用于解决 CPU 处理速度和内存不匹配的问题，内存缓存的是硬盘数据用于解决硬盘访问速度过慢的问题。
为了更好地理解，我画了一个简单的 CPU Cache 示意图如下（实际上，现代的 CPU Cache 通常分为三层，分别叫 L1,L2,L3 Cache）:

CPU Cache 的工作方式

先复制一份数据到 CPU Cache 中，当 CPU 需要用到的时候就可以直接从 CPU Cache 中读取数据，当运算完成后，再将运算得到的数据写回 Main Memory 中。但是，这样存在 内存缓存不一致性的问题 ！比如我执行一个 i++操作的话，如果两个线程同时执行的话，假设两个线程从 CPU Cache 中读取的 i=1，两个线程做了 1++运算完之后再写回 Main Memory 之后 i=2，而正确结果应该是 i=3。
CPU 为了解决内存缓存不一致性问题可以通过制定缓存一致协议或者其他手段来解决。

JMM(Java 内存模型)

在 JDK1.2 之前，Java 的内存模型实现总是从主存（即共享内存）读取变量，是不需要进行特别的注意的。而在当前的 Java 内存模型下，线程可以把变量保存工作内存（线程的working memory是JMM的一个抽象概念，并不真实存在，是包括cpu的寄存器和高速缓存在内的抽象描述）中，而不是直接在主存中进行读写。这就可能造成一个线程在主存中修改了一个变量的值，而另外一个线程还继续使用它在寄存器中的变量值的拷贝，造成数据的不一致。

要解决这个问题，就需要把变量声明为volatile，这就指示 JVM，这个变量是共享且不稳定的，每次使用它都到主存中进行读取。
所以，volatile 关键字 除了防止 JVM 的指令重排 ，还有一个重要的作用就是保证变量的可见性。

并发编程的三个重要特性

1. 原子性 : 一个的操作或者多次操作，要么所有的操作全部都得到执行并且不会收到任何因素的干扰而中断，要么所有的操作都执行，要么都不执行。synchronized 可以保证代码片段的原子性。
2. 可见性 ：当一个变量对共享变量进行了修改，那么另外的线程都是立即可以看到修改后的最新值。volatile 关键字可以保证共享变量的可见性。
3. 有序性 ：代码在执行的过程中的先后顺序，Java 在编译器以及运行期间的优化，代码的执行顺序未必就是编写代码时候的顺序。volatile 关键字可以禁止指令进行重排序优化。

   Volatile和Synchronized区别

• volatile 关键字是线程同步的轻量级实现，所以volatile 性能肯定比 synchronized 关键字要好。但是volatile 关键字只能用于变量而 synchronized 关键字可以修饰方法以及代码块。
• volatile 关键字能保证数据的可见性，但不能保证数据的原子性。synchronized 关键字两者都能保证。

• volatile 关键字主要用于解决变量在多个线程之间的可见性，而 synchronized 关键字解决的是多个线程之间访问资源的同步性。

  Volatile变量被修改后，如何通知其他线程

  volatile的原理和实现机制

  “观察加入volatile关键字和没有加入volatile关键字时所生成的汇编代码发现，加入volatile关键字时，会多出一个lock前缀指令”

  　lock前缀指令实际上相当于一个内存屏障（也成内存栅栏），内存屏障会提供3个功能：

1. 它确保指令重排序时不会把其后面的指令排到内存屏障之前的位置，也不会把前面的指令排到内存屏障的后面；即在执行到内存屏障这句指令时，在它前面的操作已经全部完成；
2. 它会强制将对缓存的修改操作立即写入主存；
3. 如果是写操作，它会导致其他CPU中对应的缓存行无效。

为了提高处理速度，处理器不直接和内存进行通信，而是先将系统内存的数据读到内部缓存（L1，L2或其他）后再进行操作，但操作完不知道何时会写到内存。如果对声明了volatile的变量进行写操作，JVM就会向处理器发送一条Lock前缀的指令，将这个变量所在缓存行的数据写回到系统内存。但是，就算写回到内存，如果其他处理器缓存的值还是旧的，再执行计算操作就会有问题。所以，在多处理器下，为了保证各个处理器的缓存是一致的，就会实现缓存一致性协议，每个处理器通过嗅探在总线上传播的数据来检查自己缓存的值是不是过期了，当处理器发现自己缓存行对应的内存地址被修改，就会将当前处理器的缓存行设置成无效状态，当处理器对这个数据进行修改操作的时候，会重新从系统内存中把数据读到处理器缓存里。volatile的实现原则：
Lock前缀的指令会引起处理器缓存写回内存；
一个处理器的缓存回写到内存会导致其他处理器的缓存失效；
当处理器发现本地缓存失效后，就会从内存中重读该变量数据，即可以获取当前最新值。

volatile写-读建立的happens-before关系

A线程在写volatile变量之前所有可见的共享变量，在B线程读同一个volatile变量后，将立即变得对B线程可见。

Volatile写-读的内存语义

写的内存语义

当写一个volatile变量时，JMM会把该线程对应的本地内存中的共享变量刷新到主内存中

读的内存语义

当读一个volatile变量时，JMM会把该线程对应的本地内存置为无效。线程接下来将从主内存中读取共享变量。

volatile重排序规则表

为了实现volatile的内存语义，编译器在生成字节码时，会在指令序列中插入内存屏障来禁止特定类型的处理器重排序。

1. 当第二个操作是volatile 写时，不管第一个操作是什么，都不能重排序。
2. 当第一个操作是volatile 读时，不管第二个操作是什么，都不能重排序。
3. 当第一个操作是volatile 写，第二个操作是volatile 读时，不能重排序。

   参考

   Volatile关键字