Java并发（六）：volatile的实现原理

synchronized是一个重量级的锁，volatile通常被比喻成轻量级的synchronized

volatile是一个变量修饰符，只能用来修饰变量。

volatile写：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。

volatile读：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实现原理

1）JMM把内存屏障指令分为下列四类：

StoreLoad Barriers是一个“全能型”的屏障，它同时具有其他三个屏障的效果。现代的多处理器大都支持该屏障（其他类型的屏障不一定被所有处理器支持）。执行该屏障开销会很昂贵，因为当前处理器通常要把写缓冲区中的数据全部刷新到内存中（buffer fully flush）。

Store：数据对其他处理器可见（即：刷新到内存）

Load：让缓存中的数据失效，重新从主内存加载数据 

2）JMM针对编译器制定的volatile重排序规则表

是否能重排序	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

举例来说，第三行最后一个单元格的意思是：在程序顺序中，当第一个操作为普通变量的读或写时，如果第二个操作为volatile写，则编译器不能重排序这两个操作。

从上表我们可以看出：

• 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。这个规则确保volatile写之前的操作不会被编译器重排序到volatile写之后。
• 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。这个规则确保volatile读之后的操作不会被编译器重排序到volatile读之前。
• 当第一个操作是volatile写，第二个操作是volatile读时，不能重排序。

JMM内存屏障插入策略(编译器可以根据具体情况省略不必要的屏障)：

• 在每个volatile写操作的前面插入一个StoreStore屏障。
  •  对于这样的语句Store1 StoreStore Store2，在Store2及后续写入操作执行前，保证Store1的写入操作对其它处理器可见
• 在每个volatile写操作的后面插入一个StoreLoad屏障。
  • 对于这样的语句Store1 StoreLoad Load2，在Load2及后续所有读取操作执行前，保证Store1的写入对所有处理器可见
• 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadLoad屏障。
  • 对于这样的语句Load1 LoadLoad Load2，在Load2及后续读取操作要读取的数据被访问前，保证Load1要读取的数据被读取完毕
• 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadStore屏障。　　
  • 对于这样的语句Load1 LoadStore Store2，在Store2及后续写入操作被刷出前，保证Load1要读取的数据被读取完毕

volatile保证可见性

　　volatile修饰的变量写之后将本地内存刷新到主内存，保证了可见性

volatile保证有序性

　　volatile变量读写前后插入内存屏障以避免重排序，保证了有序性

volatile不保证原子性

　　volatile不是锁，与原子性无关

　　要我说，由于CPU按照时间片来进行线程调度的，只要是包含多个步骤的操作的执行，天然就是无法保证原子性的。因为这种线程执行，又不像数据库一样可以回滚。如果一个线程要执行的步骤有5步，执行完3步就失去了CPU了，失去后就可能再也不会被调度，这怎么可能保证原子性呢。

为什么synchronized可以保证原子性 ，因为被synchronized修饰的代码片段，在进入之前加了锁，只要他没执行完，其他线程是无法获得锁执行这段代码片段的，就可以保证他内部的代码可以全部被执行。进而保证原子性。

（摘自http://www.hollischuang.com/archives/2673）

volatile不保证原子性的例子：

/**
 * 创建10个线程，然后分别执行1000次i++操作。目的是程序输出结果10000
 * 但是，多次执行的结果都小于10000。这其实就是volatile无法满足原子性的原因。
 */
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)
            // 保证前面的线程都执行完
            Thread.yield();
        System.out.println(test.inc);
    }
}

volatile的内存屏障插入策略非常保守，其实在实际中，只要不改变volatile写-读得内存语义，编译器可以根据具体情况优化，省略不必要的屏障。参考：【死磕Java并发】—–Java内存模型之分析volatile

参考资料

深入理解Java中的volatile关键字

Java并发（一）：Java内存模型干货总结

【死磕Java并发】—–深入分析volatile的实现原理

再有人问你volatile是什么，把这篇文章也发给他。