面试系列之-Volatile原理（JAVA基础）

package com.crazymakercircle.visiable;
public class VolatileVar{
    //使用volatile保障内存可见性
    volatile int var = 0;
    public void setVar(int var){
        System.out.println("setVar = " + var);
        this.var = var;
    }
    public static void main(String[] args){
        VolatileVar var = new VolatileVar();
        var.setVar(100);
    }
}

===> 汇编指令：
0x0000000003931be6: mov %r8d,0xc(%rdx)
0x0000000003931bea: lock addl $0x0,(%rsp);*putfield var;
- ..VolatileVar::setVar@27 (line 17)
0x000000000305016f: add $0x50,%rsp
0x0000000003050173: pop %rbp

由于共享变量var加了volatile关键字，因此在汇编指令中，操作var之前多出一个lock前缀指令lock addl，该lock前缀指令有三个功能：

1. 将当前CPU缓存行的数据立即写回系统内存在对volatile修饰的共享变量进行写操作时，其汇编指令前用lock前缀修饰。lock前缀指令使得在执行指令期间，CPU可以独占共享内存（即主存）。对共享内存的独占，老的CPU（如Intel 486）通过总线锁方式实现。由于总线锁开销比较大，因此新版CPU（如IA-32、Intel64）通过缓存锁实现对共享内存的独占性访问，缓存锁（缓存一致性协议）会阻止两个CPU同时修改共享内存的数据；
2. lock前缀指令会引起在其他CPU中缓存了该内存地址的数据无效：写回操作时要经过总线传播数据，而每个CPU通过嗅探在总线上传播的数据来检查自己缓存的值是否过期，当CPU发现自己缓存行对应的内存地址被修改时，就会将当前CPU的缓存行设置为无效状态，当CPU要对这个值进行修改的时候，会强制重新从系统内存中把数据读到CPU缓存；
3. lock前缀指令禁止指令重排：lock前缀指令的最后一个作用是作为内存屏障（Memory Barrier）使用，可以禁止指令重排序，从而避免多线程环境下程序出现乱序执行的现象；

保证可见性

加了volatile关键字修饰的变量，只要有一个线程将主内存中的变量值做了修改，其他线程都将马上收到通知，立即获得最新值。当写线程写一个volatile变量时，JMM会把该线程对应的本地工作内存中的共享变量值刷新到主内存。当读线程读一个volatile变量时，JMM会把该线程对应的本地工作内存置为无效，线程将到主内存中重新读取共享变量。

volatile语义实现原理：

两个与CPU相关的专业术语：

• 内存屏障（memory barriers）：一组处理器指令，用于实现对内存操作的顺序限制；
• 缓存行（cache line）：CPU高速缓存中可以分配的最小存储单位。处理器填写缓存行时会加载整个缓存行；

volatile可见性的实现是借助了CPU的lock指令，lock指令在多核处理器下，可以将当前处理器的缓存行的数据写回到系统内存，同时使其他CPU里缓存了该内存地址的数据置为无效。通过在写volatile的机器指令前加上lock前缀，使写volatile具有以下两个原则：

• 写volatile时处理器会将缓存写回到主内存；
• 一个处理器的缓存写回到内存，会导致其他处理器的缓存失效；

volatile语义中的内存屏障

volatile关键字除了保障内存可见性外，还能确保执行的有序性。volatile语义中的有序性是通过内存屏障指令来确保的。为了实现volatile关键字语义的有序性，JVM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，JMM建议JVM采取保守策略对重排序进行严格禁止，下面是基于保守策略的volatile操作的内存屏障插入策略。

• 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadLoad屏障；
• 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadStore屏障；
• 在每个volatile写操作的前面插入一个StoreStore屏障；
• 在每个volatile写操作的后面插入一个StoreLoad屏障；

volatile写操作的内存屏障插入策略为：在每个volatile写操作前插入StoreStore（SS）屏障，在写操作后面插入StoreLoad屏障；volatile读操作的内存屏障插入策略为：在每个volatile写操作后插入LoadLoad（LL）屏障和LoadStore屏障，禁止后面的普通读、普通写和前面的volatile读操作发生重排序；

volatile变量的复合操作不具备原子性的原理

对于关键字volatile修饰的内存可见变量而言，具有两个重要的语义：

（1）使用volatile修饰的变量在变量值发生改变时，会立刻同步到主存，并使其他线程的变量副本失效；

（2）禁止指令重排序：用volatile修饰的变量在硬件层面上会通过在指令前后加入内存屏障来实现，编译器级别是通过下面的规则实现的；

JMM对于volatile变量会有特殊的约束：

（1）使用volatile修饰的变量其read、load、use都是连续出现的，所以每次使用变量的时候都要从主存读取最新的变量值，替换私有内存的变量副本值（如果不同的话）；

（2）其对同一变量的assign、store、write操作都是连续出现的，所以每次对变量的改变都会立马同步到主存中；

假设有两个线程A、B分别运行在Core1、Core2上，并假设此时的value为0，线程A、B也都读取了value值到自己的工作内存；

现在线程A将value变成1之后，完成了assign、store的操作，假设在执行write指令之前，线程A的CPU时间片用完，线程A被空闲，但是线程A的write操作没有到达主存。由于线程A的store指令触发了写的信号，线程B缓存过期，重新从主存读取到value值，但是线程A的写入没有最终完成，线程B读到的value值还是0。线程B执行完成所有的操作之后，将value变成1写入主存。线程A的时间片重新拿到，重新执行store操作，将过期了的1写入主存。线程A、B并发操作value时可能发生脏数据写入的流程，在高并发场景下，volatile变量一定需要使用Java的显式锁结合使用；