java并发编程-volatile内存实现和原理

前面的说了java的内存模型,介绍了java内存模型的基础,此篇文章来说一下volatile关键字,这个在并发编程中，占有举足轻重地位的关键字。

在java5.0 之前它是一个备受争议的关键字,5之后它重获新生。volatile关键字的作用是保证多线程中变量的可见性,是JUC包中的核心。

在内存模型基础中，已经提到过，JVM是分为堆内存和栈内存的，堆内存在线程之间共享，而栈内存为线程内部私有，对其他线程不可见。为保证变量的可见性，可以使用volatile修饰，那为什么使用了关键字volatile修饰后，就能保证可见性，下面进行分析。

volatile 可以看作是一个轻量级的锁，这么说可能是不准确的，但它确实具备了锁的一些特性。与锁的区别是，锁保证原子性，锁住的可能是是个变量或者一段代码，而volatile修饰的变量只能保证变量在线程之间的传递，只能保证可见性，在一些方面并没有具备原子性。

所以上面的话有两层语义:

保证可见性，不保证原子性

禁止指令的重排序（重排序会破坏volatile的内存语义）

volatile变量的读/写，可以实现线程之间的通信。

volatile内存语义

写的内存语义： 当写一个volatile变量时,JMM会把线程对应的本地内存中的共享变量刷新到主内存。

读的内存语义： 当读一个volatile变量时，JMM会把线程对应的本地内存置为无效，线程接下来从主内存中读取共享变量。

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初始时，两个线程的本地内存中的flag和a都是初始状态，线程A在写flag变量后，本地内存A中更新过的两个共享变量的值被刷新到主内存中，在读flag变量后，本地内存中包含的值已经被置为无效，此时线程B必须从主内存中读取共享变量。

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volatile内存语义实现

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。JMM采用了保守策略，规则如下：

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

在每个volatile读操作的前面插入一个LoadLoad屏障

在每个volatile读操作的后面插入一个LoadStore屏障

从汇编层看volatile关键字

记得曾经看过一篇文章，讲述的是volatile关键字修饰的变量，编程汇编代码后，会在变量的前面插入一条LOCK指令。

Java代码: instance = new Singleton();//instance是volatile变量汇编代码: 0x01a3de1d: movb $0x0,0x1104800(%esi);0x01a3de24: lock addl $0x0,(%esp);

通过上面的代码发现，volatile修饰的变量会多出一个lock指令，LOCK指令属于系统层级： LOCK前缀会使处理器执行当前指令时产生一个LOCK#信号，显示的锁定总线。

来看一下LOCK指令的作用：

锁总线：其他cpu对内存的读写请求会被阻塞，直到锁释放，不过因为锁总线的的开销太大，后来采用锁缓存来代替锁总线

lock后的写操作会回写已修改的数据，同时让其它cpu相关缓存行失效，从而重新从主存中加载最新的数据

不是内存屏障却完成类似内存屏障的功能，阻止屏障两边的执行重排序

一个示例

先启动一个线程thread，由于isOver=fasle，所以thread里的run方法里的while是一个死循环，然后企图在main线程里改变标志位isOver=true,从而想终止thread里的while死循环，使得thread线程能够结束退出。可是，事与愿违，实验现象是没有停止，即thread里isOver依然为false还是处于死循环。

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那么是为什么了？怎样解决这种问题

更正后的代码为：

java

注意不同点，现在已经将isOver设置成了volatile变量，这样在main线程中将isOver改为了true后，thread的工作内存该变量值就会失效，从而需要再次从主内存中读取该值，现在能够读出isOver最新值为true从而能够结束在thread里的死循环，从而能够顺利停止掉thread线程。现在问题也解决了，知识也学到了：）。

总结

volatile是一种比锁更轻量级的线程之间通信的机制，volatile仅仅保证对单个volatile变量的读/写具有原子性，而锁的互斥执行的特性可以保证对整个临界区代码执行具有原子性，在功能上，锁比voatile更强大，在可伸缩性和执行性能上，volatile更有优势，但是volatile并不能代替锁。