volatile

首先看看如下代码以及结果：（计算一秒钟内count++的结果）

public class VolatileDemo {
    private static Boolean flag = true;   //创建一个状态变量flag
    public static void main(String[] args) {
        Thread thread = new Thread(()-> {   //创建一个线程
            int count = 0;
           while (flag){
               count++;
           }
           System.out.println("count："+count);
        });
        Thread thread1 = new Thread(()->{//创建一个线程
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            flag = false;
            System.out.println("1秒结束");
        });

        thread1.start();
        thread.start();
    }
}

 由运行结果可见，程序一直未停下来，说明变量flag修改无法实时同步给另一个线程。

当加入volatile关键字修饰状态变量flag：

public class VolatileDemo {
    private volatile static Boolean flag = true;
    public static void main(String[] args) {
        Thread thread = new Thread(()-> {
            int count = 0;
           while (flag){
               count++;
           }
           System.out.println("count："+count);
        });
        Thread thread1 = new Thread(()->{
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            flag = false;
            System.out.println("1秒结束");
        });

        thread1.start();
        thread.start();
    }
}

 

 为什么会这样？

       在不加volatile关键时，线程堆栈中保存线程运行时的变量值的副本，当线程访问某一个对象时候值的时候，首先通过对象的引用找到对应在堆内存的变量的值，然后把堆内存变量的具体值load到线程本地内存中，建立一个变量副本，之后线程就不再和对象在堆内存变量值有任何关系，而是直接修改副本变量的值，也就是 在read load之后，如果主内存count变量发生修改之后，线程工作内存中的值由于已经加载，不会产生对应的变化，所以计算出来的结果会和预期不一样。

volatile的特征

• 禁止重排序    代码在执行过程中，为了提高代码的执行效率，会对代码做优化，编译、字节码，机器码、汇编都会对代码进行优化，代码优化的原则是优化前后是不会来影响执行结果；Java内存模型不会对volatile指令进行重排序，从而保证对volatile变量的执行顺序，永远是按照其出现顺序执行的。重排序的依据是happens-before法则。
• 保证内存的可见性   

 工作原理：

        在volatile关键字所修饰的变量时，在汇编层代码上，会添加一个lock前缀的指令，Lock前缀指令相当于添加了一个内存屏障，内存屏障提供的功能：

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。

禁止指令重排序的原理

       通过内存屏障实现，StoreStoreStoreLoadLoadLoadLoadStore屏障，保证写与写、写与读、读与读、读与写等有序。

可见性原理

       解决内存一致性问题：JVM向处理器发送一个Lock前缀的指令，两种解决方案：

第一种：通过总线加LocK锁前缀的方法锁定总线。

第二种：通过缓存一致性协议（MESI协议）（缓存行 维护两个状态位 M，E,S,I）。

M(被修改的):处于这一状态的数据，只在本CPU中有缓存数据，而其他CPU中没有。同时其状态相对于内存中的值来说，是已经被修改的，且没有更新到内存中。

E(独占的):处于这一状态的数据，只有在本CPU中有缓存，且其数据没有修改， 即与内存中一致。

S(共享的):处于这一状态的数据在多个CPU中都有缓存，且与内存一致。

I(无效的):本CPU中的这份缓存已经无效。

缓存一致性协议执行过程:

      一个处于E (独占的)状态的缓存行，必须时刻监听其他试图读取该缓存行对应的主存地址的操作，如果监听到，则必须把其缓存行状态设置为S；一个处于S (共享的)状态的缓存行，必须时刻监听使该缓存行无效或者独享该缓存行的请求，如果监听到，则必须把其缓存行状态设置为I。一个处于M (被修改的)状态的缓存行，必须时刻监听所有试图读取该缓存行对应的主存地址的操作，如果监听到，则必须在此操作执行前把其缓存行中的数据写回CPU。

        当CPU需要读取数据时，如果其缓存行的状态是I的，则需要从内存中读取(无效的就要读取新值)，并把自己状态变成S (既然是无效那么说明已有cpu对缓存做了修改)，如果不是I,则可以直接读取缓存中的值，但在此之前，必须要等待其他CPU的监听结果，如其他CPU也有该数据的缓存且状态是M，则需要等待其把缓存更新到内存之后，再读取。

普通变量：

1，变量值从主内存（在堆中）load到本地内存（在当前线程的栈桢中）；

2，之后，线程就不再和该变量在主内存中的值由任何关系，而是直接操作在副本变量上（这样速度很快），这时，如果主存中的count或本地内存中的副本发生任何变化，都不会影响到对方，也正是这个原因导致并发情况下出现数据不一致；

3，在修改完的某个时刻（线程退出之前），自动把本地内存中的变量副本值回写到对象在堆中的对应变量。

volatile修饰的变量：

volatile仍然在执行一个从主存加载到工作内存，并且将变更的值写回主存的操作，但是：

1，volatile保证每次读取该变量前，都判断当前值是否已经失效（即是否已经与主存不一致），如果已经失效，则从主存load最新的变量；

2，volatile保证每次对该变量做出修改时，都立即写入主存。

注意：volatile保证共享数据的可见性，有序性，却无法保证数据的原子性。

应用场景

• 一般用来修饰Boolean类型的共享状态标志位。
• 单例模式下的双重校验锁。
• 修饰单个的变量。

注意：volatile对于基本数据类型（值直接从主内存向工作内存copy）才有用。但是对于对象来说，似乎没有用，因为volatile只是保证对象引用的可见性，而对对象内部的字段，它保证不了任何事。即便是在使用ThreadLocal时，每个线程都有一份变量副本，这些副本本身也是存储在堆中的，线程栈桢中保存的仍然是基本数据类型和变量副本的引用。一个对象被volatile修饰，那么就表示它的引用具有了可见性。从而使得对于变量引用的任何变更，都在线程间可见，但是却不具备原子性。