java并发编程之volatile关键字

volatile

Java语言的关键字，用来声明变量，表示这个变量是被同时运行的几个线程修改的，需要保证变量的可见性并禁止指令重排序。

可见性的含义：

可见性的意思是指当一个线程修改一个共享变量时，另外一个线程能读到这个修改后的值，volatile作用就是当一个线程修改了共享变量的值，其他线程马上就能知道。

Java内存模型规定所有的变量都是存在主存当中，每个线程都有自己的工作内存。线程对变量的所有操作都必须在工作内存中进行，而不能直接对主存进行操作。并且每个线程不能访问其他线程的工作内存

那么Volatile是如何来保证可见性的呢？

在x86处理器下通过工具生成的汇编指令来看看对Volatile进行写操作时，CPU会做什么事儿：

Java代码：

instance = new Singleton();//其中instance是volatile修饰的变量

汇编代码：

0x01a3de1d: movb $0×0,0×1104800(%esi);

0x01a3de24: lock addl $0×0,(%esp);

lock前缀指令实际上相当于一个内存屏障，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。

处理器为了提高处理速度，不直接和内存进行通讯，而是先将系统内存的数据读到内部缓存，后再进行操作，但操作完之后不知道何时会写到内存，如下图1所示：

图1

如果对声明了Volatile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，所以在多处理器下，为了保证各个处理器的缓存是一致的，硬件层面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已经不是最新的，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），线程再处理该数据时，就会强制重新从内存里把数据读到处理器缓存里，如图2。

图2

指令重排序：

请看如下代码：

x = 1; //语句1

y = 1; //语句2

flag = true; //语句3

x = x+1; //语句4

y = y-1; //语句5

在执行过程中，编译器可能会自行安排执行顺序，让语句执行的更快。

在单线程情况下，编译器能保证语句4在语句1之后，语句5在语句2之后，因为两者之间有依赖关系，而结果是可以确定的。

在多线程时，因为多个缓存和线程同时处理，就难以保证结果了，可能语句4排在语句1之前执行，导致结果变化。而设置flag为Volatile类型的参数，那么在多线程情况下，语句4也一定在语句1之后，语句5在语句2之后，重排序只存在语句4和5，语句1和语句2之间，不能跨越语句3进行重排序。

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