【深入学习并发之二】volatile关键字详解

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volatile关键字

一、volatile满足了哪几种特性 有什么局限性

volatile满足了并发中的原子性、可见性和局部有序性，但是其中的原子性是存在局限性的。

volatile原子性的局限：volatile变量的写和volatile的读都是有原子性的，但是由于其实现方式并不是使用的同步的思想，所以并不能独占时间片。这也导致了诸如volatile变量的自增自减操作并没有原子性。

volatile局部有序性：在底层实现中，volatile变量的读写 以及 其前后的普通变量读写操作需要满足一定的有序性。

volatile写之前的写操作，和之后的读操作不能重排序；
volatile读之后的读写操作都不能重排序。

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二、volatile原子性是怎么实现的 为什么有局限性

volatile变量的读写操作都是有原子性的，这是因为JMM对volatile变量的读写操作，进行了特殊规则的规定。原子性操作的原理一般是加锁或者循环CAS，但是volatile的原子性原理，并非这两种中的任何一种。

先看一下JMM中的一些原子操作：

主存	工作内存	线程
read	use	读
write	assign	写

read—>use—>读
write<—assign<—写

read：作用在主存的变量中，将主存中的变量内容更新到工作内存中
use：作用在工作内存的变量中，将工作内存中的变量内容更新到线程中

write：作用在工作内存变量中，将线程中的变量赋给工作内存中的变量
assign：作用在主存变量中，将工作内存的变量写入主存

在读任何变量时，都会在工作内存中使用use操作，将变量从工作变量中读入线程中；但是对volatile变量，必须在调用use前先调用read，先从主存中将对应volatile变量取出，传入工作内存，再将工作内存中的变量取到线程中。

同理，在写任何变量时，都会在工作内存中使用assign操作，将变量写入工作内存中；但是对volatile变量来说，必须在assign后立即在主存中write，将变量写入主存中。

这样，volatile变量的读写就是具备原子性的了。
但是由于volatile变量实现原子性的方式，是对其读写操作顺序的限制，所以在诸如volatile++这样的多字节码（机器码）操作中，并不能保证它的原子性。

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三、volatile可见性是怎么实现的

volatile的可见性是最好理解的，就是通过线程间的共享内存——主存，来实现线程间的通信的。

• volatile变量的读写还有另一层语义：
  在volatile变量写入主存中时，会将所有本工作线程中的共享变量一并写入主存；
  在volatile变量读取时，会将本工作线程中的共享变量清空，并从主存中更新它们的值。
  普通共享变量如count的读写，会只在工作内存中读取；
  同时，volatile变量会直接将所有（本线程的）工作内存中的共享变量，更新到主存中。
  如上所述，volatile的读写都会直接作用于主存，这也就是说，volatile变量相当于是在使用主存的某个虚拟线程里进行读写，在同一个线程间自然可以保证可见性。

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四、volatile局部有序性是怎么实现的

在开始解释volatile是怎么实现有序性前，先做一些设定：

//假设在主存中有这样的变量
//其中，flag是会被多个线程访问到的volatile变量;
//     count是会被多个线程访问到的共享变量，但并不是volatile的
volatile int flag;
int count;

局部有序性，即对volatile读写操作前后的读写操作进行一些约束。

• 实现方式：通过内存屏障来禁止代码重排序，维护happens-before原则
  内存屏障：StoreStore、StoreLoad、LoadStore及LoadLoad屏障
  StoreStore屏障的前一句写操作，和其后一句写操作不可交换位置；
  StoreLoad屏障的前一句写操作，和其后一句读操作不可交换位置；
  LoadStore屏障的前一句读操作，和其后一句写操作不可交换位置；
  LoadLoad屏障的前一句读操作，和其后一句操作不可交换位置；

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下面具体分析一下哪些语句需要加入哪些屏障：

volatile写/读	前的屏障	后的屏障
写	StoreStore	StoreLoad
读	无	LoadStore,LoadLoad

volatile写之前的写操作，和之后的读操作不能重排序；
volatile读之后的读写操作都不能重排序。

volatile写是将所有工作内存中的共享变量写入主存。
普通写操作是将线程内的共享变量写入工作内存，如果将volatile写前的普通写，重排序到其后，本来应该更新到主存内的共享变量，就不会更新到主存中，所以要加入StoreStore屏障。如代码段1：

//代码段1
//volatile写前的普通写，若重排序，count不能更新到主存中
count = 1;					//普通写
flag = 1;					//volatile写

在volatile写之后的volatile读，很好理解，本应先更新再读取，不可先读取再更新。所以要在其之后加入StoreLoad屏障。

volatile读是将所有共享变量由主存更新至工作内存。
普通读操作是将共享变量从工作内存读入线程中，如果将volatile读之后的普通读，重排序到其前，那么本该读到最新数据的共享变量，就读到了旧数据，所以应加入volatile读后的LoadLoad屏障。如代码段2：

//代码段2
//volatile读后的普通读，若重排序，会读到count的旧数据
int flagNow = flag;		//volatile读
int countNow = count;		//普通读

普通写操作语义见上述内容，若将volatile读后的普通写，重排序到其前，则其更新到工作内存中的共享变量会被volatile读覆盖，无法在接下来的操作中使用，所以volatile读后需要加入LoadStore屏障。如代码段3

//代码段3
//volatile读后的普通写，若重排序，最后写的普通共享变量会被覆盖
int flagNow = flag;		//volatile读
count = 1;					//普通写

综上所述，
volatile写前应加入StoreStore屏障，防止普通共享变量的写入不被更新；
volatile写后应加入StoreLoad屏障，防止volatile变量读写顺序出现问题；
volatile读后应加入LoadLoad屏障，防止普通共享变量读到旧数据；
volatile读后应加入LoadStore屏障，防止普通共享变量的写入被覆盖；

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总结

1 volatile满足了读写的原子性，可见性以及局部有序性。
2 volatile通过绑定写入和读取变量的“线程—工作内存”和“工作内存—主存”两段操作实现了读写的原子性。
3 volatile通过读写时，将共享变量一并读取/写入到工作内存/主存的方式，实现了可见性。
4 volatile通过在读写语句前后加入内存屏障，实现了局部有序性。