在理解volatile之前，我們先來看下CPU的工作模式：

處理器這種工作產(chǎn)生的問題：1、所有的變量在處理器運(yùn)算期間都是變量對(duì)應(yīng)值的一個(gè)副本，其它處理器無法感知其對(duì)變量的操作。2、處理器為了高效利用寄存器而對(duì)指令的重排在多線程下將會(huì)產(chǎn)生無法預(yù)測(cè)的結(jié)果。3、不同的處理器針對(duì)同一套編碼所產(chǎn)生的指令會(huì)有不同的運(yùn)行策略。
為了解決上述三個(gè)問題JVM為了保證每個(gè)平臺(tái)代碼運(yùn)行結(jié)果的一致性提出了JMM（JAVA內(nèi)存模型），目的是為了讓Java程序在各種平臺(tái)下都能達(dá)到一致性的結(jié)果。
JMM規(guī)范：Happen-Before原則：1、程序順序原則：一個(gè)線程內(nèi)保證語意的串行化2、volatile規(guī)則：volatile變量的寫先發(fā)生于讀，這保證了volatile變量的可見性3、鎖規(guī)則：解鎖必然發(fā)生于加鎖前4、傳遞性：A先于B，B先于C，A一定先于C5、線程的start()方法先于它的每一個(gè)動(dòng)作6、線程的所有動(dòng)作，先于線程的終結(jié)7、線程的中斷先于被中斷的代碼8、對(duì)象的構(gòu)造函數(shù)執(zhí)行、結(jié)束先于finalize()方法
針對(duì)volatile的優(yōu)化：volatile能保證修改對(duì)其它線程可見。即修改了共享變量后肯定會(huì)刷回主內(nèi)存，通知其它線程，但是為了使處理器的內(nèi)部單元高效工作，處理器會(huì)對(duì)輸入的代碼進(jìn)行亂序即指令重排。對(duì)于volatile如果不做針對(duì)性的處理，那顯然volatile的可見性并不會(huì)有什么意義。并不能保證結(jié)果的確定性。針對(duì)volatileJVM做了大量的工作：關(guān)于工作內(nèi)存（針對(duì)硬件就是高速緩存）JMM定義了8種操作來完成:

• lock（加鎖）: 作用于主內(nèi)存，把一個(gè)變量標(biāo)記為線程獨(dú)占。
• unlock（解鎖）:作用于主內(nèi)存，把一個(gè)已鎖定的變量釋放出來。
• read（讀取）:作用于主內(nèi)存，將一個(gè)變量從主內(nèi)從中傳輸?shù)焦ぷ鲀?nèi)存中，以便隨后的load。
• load（載入）:作用于工作內(nèi)存,把read操作得到的變量放在工作內(nèi)存的變量副本中。
• use（使用）:作用于工作內(nèi)存，把工作內(nèi)存中的一個(gè)變量傳遞給執(zhí)行引擎。
• assign（賦值）:作用于工作內(nèi)存，把一個(gè)執(zhí)行引擎接受的值賦值給工作內(nèi)存的變量。
• store（存儲(chǔ)）:作用于工作內(nèi)存，把工作內(nèi)存中的一個(gè)變量的值傳輸?shù)街鲀?nèi)存，以便后續(xù)的write操作。
• write（寫入）:作用于主內(nèi)存，把store操作從工作內(nèi)存得到的值放回主內(nèi)存中。

8中操作有如下關(guān)系：

• 不允許load和read,store和write單獨(dú)出現(xiàn)。
• 不允許一個(gè)線程丟棄它最近的assign操作，即變量在工作內(nèi)存中改變，必須同步回主內(nèi)存。
• 不與許一個(gè)線程無原因的（沒有assign操作）把數(shù)據(jù)從工作內(nèi)存同步回主內(nèi)存。
• 一個(gè)新的變量只能在主內(nèi)存中誕生。
• 一個(gè)變量只能同時(shí)有一個(gè)線程進(jìn)行加鎖。lock可以被同一個(gè)線程加鎖多次，但是必須解鎖相同次數(shù)。這個(gè)變量才會(huì)被解鎖。
• 對(duì)一個(gè)變量執(zhí)行l(wèi)ock操作。將會(huì)先清空該線程的工作內(nèi)存中的該變量的值。在執(zhí)行引擎使用這個(gè)變量前，需要重新執(zhí)行l(wèi)oad或assign操作。
• 一個(gè)變量被lock，不允許其它線程執(zhí)行unlock。也不允許執(zhí)行unlock被別的線程lock的變量。即一個(gè)線程自己lock的只有自己能unlock.
• 一個(gè)變量unlock之前，工作內(nèi)存中的數(shù)據(jù)必須同步回主內(nèi)存。

這八種操作和其使用規(guī)則，決定了變量在工作內(nèi)存和主內(nèi)存之間的同步策略。
針對(duì)于volatile變量又有額外如下定義：

volatile變量在use時(shí)，必須執(zhí)行l(wèi)oad操作。即每次使用volatile變量必須先從主內(nèi)存中刷新最新值。

volatile變量在assign時(shí)，必須執(zhí)行write操作。即每次對(duì)volatile進(jìn)行賦值操作必須立馬同步回主內(nèi)存。

針對(duì)volatile和普通變量，或者volatile變量和volatile變量一起使用時(shí)。
JVM在編譯期間也會(huì)針對(duì)volatile的重排加以干涉，干涉規(guī)則如下:

如果第二個(gè)操作時(shí)volatile寫操作，不管第一操作是什么操作，都不能重排。

如果第一個(gè)操作時(shí)volatile讀操作，不管第二個(gè)操作時(shí)什么操作，都不能重排。

volatile寫和volatile讀不能重排。

為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)語意，JVM在生成字節(jié)碼時(shí)，會(huì)在指令序列中插入內(nèi)存屏障（memory barrier）來禁止特定類型的處理器指令重排，對(duì)于編譯器來說對(duì)所有的CPU來插入屏障數(shù)最小的方案幾乎不可能，下面是基于保守策略的JMM內(nèi)存屏障插入策略：

在每個(gè)volatile寫操作前面插入StoreStore屏障

在每個(gè)volatile寫操作后插入StoreLoad屏障

在每個(gè)volatile讀后面插入一個(gè)LoadLoad屏障

在每個(gè)volatile讀后面插入一個(gè)LoadStore屏障

這里要說下內(nèi)存屏障是是什么東西：硬件層的內(nèi)存屏障分為兩種：Load Barrier 和 Store Barrier即讀屏障和寫屏障，內(nèi)存屏障的作用有兩個(gè)：

• 阻止屏障兩側(cè)的的指令重排
• 強(qiáng)制把高速緩存中的數(shù)據(jù)更新或者寫入到主存中。Load Barrier負(fù)責(zé)更新高速緩存， Store Barrier負(fù)責(zé)將高速緩沖區(qū)的內(nèi)容寫回主存

LoadLoad,StoreStore,LoadStore,StoreLoad實(shí)際上是Java對(duì)上面兩種屏障的組合，來完成一系列的屏障和數(shù)據(jù)同步功能：

• LoadLoad屏障：對(duì)于這樣的語句Load1; LoadLoad; Load2，在Load2及后續(xù)讀取操作要讀取的數(shù)據(jù)被訪問前，保證Load1要讀取的數(shù)據(jù)被讀取完畢。
• StoreStore屏障：對(duì)于這樣的語句Store1; StoreStore; Store2，在Store2及后續(xù)寫入操作執(zhí)行前，保證Store1的寫入操作對(duì)其它處理器可見。
• LoadStore屏障：對(duì)于這樣的語句Load1; LoadStore; Store2，在Store2及后續(xù)寫入操作被刷出前，保證Load1要讀取的數(shù)據(jù)被讀取完畢。
• StoreLoad屏障：對(duì)于這樣的語句Store1; StoreLoad; Load2，在Load2及后續(xù)所有讀取操作執(zhí)行前，保證Store1的寫入對(duì)所有處理器可見。它的開銷是四種屏障中最大的。在大多數(shù)處理器的實(shí)現(xiàn)中，這個(gè)屏障是個(gè)萬能屏障，兼具其它三種內(nèi)存屏障的功能。

• StoreStore屏障可以保證在volatile寫之前，所有的普通寫操作已經(jīng)對(duì)所有處理器可見，StoreStore屏障保障了在volatile寫之前所有的普通寫操作已經(jīng)刷新到主存。
• StoreLoad屏障避免volatile寫與下面有可能出現(xiàn)的volatile讀/寫操作重排。因?yàn)榫幾g器無法準(zhǔn)確判斷一個(gè)volatile寫后面是否需要插入一個(gè)StoreLoad屏障（寫之后直接就return了，這時(shí)其實(shí)沒必要加StoreLoad屏障），為了能實(shí)現(xiàn)volatile的正確內(nèi)存語意，JVM采取了保守的策略。在每個(gè)volatile寫之后或每個(gè)volatile讀之前加上一個(gè)StoreLoad屏障，而大多數(shù)場(chǎng)景是一個(gè)線程寫volatile變量多個(gè)線程去讀volatile變量，同一時(shí)刻讀的線程數(shù)量其實(shí)遠(yuǎn)大于寫的線程數(shù)量。選擇在volatile寫后面加入StoreLoad屏障將大大提升執(zhí)行效率（上面已經(jīng)說了StoreLoad屏障的開銷是很大的）。

• LoadLoad屏障保證了volatile讀不會(huì)與下面的普通讀發(fā)生重排
• LoadStore屏障保證了volatile讀不回與下面的普通寫發(fā)生重排。

即使JMM對(duì)volatile做了這么多的工作，它也僅僅只保證了volatile變量在原子性操作下多個(gè)線程之間的正確同步，對(duì)非原子操作，使用volatile仍然會(huì)發(fā)生無法預(yù)知的結(jié)果。比如對(duì)i++操作，在多線程情況下結(jié)果依然是不定：例子：

我們來使用 javap -c 來看下這個(gè)文件的編譯指令:

increase方法的編譯指令我們可以看出 ++ 操作經(jīng)歷了4步：1、getstatic #10 獲取靜態(tài)變量num壓入棧頂 此時(shí)volatile保證值是對(duì)的。2、iconst_1 int型常量1入棧3、iadd 棧頂兩個(gè)int值相加，結(jié)果放入棧頂。4、putstatic #10 把棧頂?shù)闹地?fù)值給指定域。問題就出在2、3兩步，在做這兩步操作時(shí)，volatile變量有可能已經(jīng)被其它線程修改。
根據(jù)volatile的內(nèi)存語意我們可以總結(jié)出兩條安全使用volatile的方式：

• 運(yùn)算結(jié)果不依賴于volatile變量的當(dāng)前值，或者能保證只有單一線程能修改變量的值
• 變量不需要與其它的狀態(tài)變量共同參與不變性。

轉(zhuǎn)載于:https://juejin.im/post/5bb4a26fe51d450e7b174c16

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的深入理解volatile的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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