学习java多线程2——volatile关键字作用及其原理

并发编程中的三个概念

1、原子性

和数据库事务的原子性概念是一样的，一组操作要么全部成功要么全部失败，不可分割。

    x = 10;         //语句1

    y = x;         //语句2

    x++;           //语句3

    x = x + 1;     //语句4

    其实只有语句1是原子性操作，其他三个语句都不是原子性操作。语句1是直接将数值10赋值给x，也就是说线程执行这个语句的会直接将数值10写入到工作内存中。语句2实际上包含2个操作，它先要去读取x的值，再将x的值写入工作内存。

    Java内存模型只保证了基本读取和赋值是原子性操作，如果要实现更大范围操作的原子性，可以通过synchronized和Lock来实现。由于synchronized和Lock能够保证任一时刻只有一个线程执行该代码块，那么自然就不存在原子性问题了，从而保证了原子性。

2、可见性

这里是指线程共享变量的可见性，在这之前我们先来了解下线程内存工作模型。

 共享内存：也就是我们的RAM内存，可以被多个线程共享

工作内存：也可以称为高速缓存Cache，每个线程对应

在线程对某一数据的操作过程中，是先将数据从共享内存中取出到线程自己的工作内存，然后对数据加以操作，最后将操作后的值更新到共享内存当中。

可见性导致的安全性问题，类似于数据库事务中的丢失更新。假设现在有A、B两个线程，要对int x =0进行加一操作，单个线程操作可以分为三步：

读取x的值到工作内存

对值进行+1

将x的新值更新到共享内存

假设现在A线程现在完成了第二步，这个时候A的工作线程中x=1，但是没有完成第三步，这个时候B线程读取了x的值0，并且进行了操作。当A和B线程执行完后，x的值为1，这就是不安全的。

对此，Java提供了volatile关键字来保证可见性。当一个共享变量被volatile修饰时，它会保证修改的值会立即被更新到主存，当有其他线程需要读取时，它会去内存中读取新值。通过synchronized和Lock也能够保证可见性，synchronized和Lock能保证同一时刻只有一个线程获取锁然后执行同步代码，并且在释放锁之前会将对变量的修改刷新到主存当中。因此可以保证可见性。

3、有序性

在开发者看来，程序总是按照我们编写的“顺序”来执行。但是JVM会在不影响执行结果的前提下，对一些没有数据依赖的语句进行重排列，从而获得更高的执行效率。这种情况我们称为指令重排序。

例如：int a=1;   int b=2;

这两条语句的执行前后顺序对执行结果不会有任何的影响。大多数情况下都是如此，但是在某些情况下，会出现一点小问题。

//线程1:

    inited = false;

    context = loadContext();   //语句1

    inited = true;             //语句2

    //线程2:

    while(!inited ){

     sleep()

    }

    doSomethingwithconfig(context);

由于语句1和语句2没有数据依赖性，因此可能会被重排序。假如发生了重排序，在线程1执行过程中先执行语句2，而此是线程2会以为初始化工作已经完成，那么就会跳出while循环，去执行doSomethingwithconfig(context)方法，而此时context并没有被初始化，就会导致程序出错。

    从上面可以看出，指令重排序不会影响单个线程的执行，但是会影响到线程并发执行的正确性。

 

在Java里面，可以通过volatile关键字来保证一定的“有序性”。

    Java内存模型具备一些先天的“有序性”，即不需要通过任何手段就能够得到保证的有序性，这个通常也称为 happens-before 原则。如果两个操作的执行次序无法从happens-before原则推导出来，那么它们就不能保证它们的有序性，虚拟机可以随意地对它们进行重排序。

    下面就来具体介绍下happens-before原则（先行发生原则）：

•     程序次序规则：一个线程内，按照代码顺序，书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作

•     锁定规则：一个unLock操作先行发生于后面对同一个锁额lock操作

•     volatile变量规则：对一个变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作

•     传递规则：如果操作A先行发生于操作B，而操作B又先行发生于操作C，则可以得出操作A先行发生于操作C

•     线程启动规则：Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每个一个动作

•     线程中断规则：对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生

•     线程终结规则：线程中所有的操作都先行发生于线程的终止检测，我们可以通过Thread.join()方法结束、Thread.isAlive()的返回值手段检测到线程已经终止执行

•     对象终结规则：一个对象的初始化完成先行发生于他的finalize()方法的开始

下面简单说一下我对先行发生原则的理解：

对于程序次序规则来说，我的理解就是一段程序代码的执行在单个线程中看起来是有序的。注意，虽然这条规则中提到“书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作”，这个应该是程序看起来执行的顺序是按照代码顺序执行的，因为虚拟机可能会对程序代码进行指令重排序。虽然进行重排序，但是最终执行的结果是与程序顺序执行的结果一致的，它只会对不存在数据依赖性的指令进行重排序。因此，在单个线程中，程序执行看起来是有序执行的，这一点要注意理解。事实上，这个规则是用来保证程序在单线程中执行结果的正确性，但无法保证程序在多线程中执行的正确性。

第二条规则也比较容易理解，也就是说无论在单线程中还是多线程中，同一个锁如果出于被锁定的状态，那么必须先对锁进行了释放操作，后面才能继续进行lock操作。

第三条规则是一条比较重要的规则，也是后文将要重点讲述的内容。直观地解释就是，如果一个线程先去写一个变量，然后一个线程去进行读取，那么写入操作肯定会先行发生于读操作。

第四条规则实际上就是体现happens-before原则具备传递性。

volatile关键字的两层语义

    一旦一个共享变量（类的成员变量、类的静态成员变量）被volatile修饰之后，那么就具备了两层语义：

    第一层：

1. 1. 保证了不同线程对这个变量进行操作时的可见性，即一个线程修改了某个变量的值，这新值对其他线程来说是立即可见的。(注意：此处的修改是指将线程工作内存中的变量修改并写入主内存，如果没有写入主内存，对于其它线程仍是不可见，这也是不保证原子性的关键)

   2. 禁止进行指令重排序。

       

    第二层：

1. 1. 会强制将修改的值立即写入主存；

   2. 会使共享变量的缓存无效，只能去主存中读取数据

volatile的原理和实现机制

    观察加入volatile关键字和没有加入volatile关键字时所生成的汇编代码发现，加入volatile关键字时，会多出一个lock前缀指令。lock前缀指令实际上相当于一个内存屏障（也成内存栅栏），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。

volatile的作用：

    1、对于共享变量，每个线程对其的缓存失效

    2、能够保证每个线程对变量做到可见性，一个线程修改，其他线程都能看见（强制将修改值压入内存）

    3、禁止指令重排，但无法做到原子性，还要依赖其他锁机制