volatile实现原理

volatile实现原理

volatile可以保证线程可见性且提供了一定的有序性，但是无法保证原子性，即 volatile 保证了 可见性和有序性 没有原子性 。在JVM底层volatile是采用“内存屏障”来实现的。

• 问题的提出 计算机在运行程序时，每条指令都是在CPU中执行的，在执行过程中势必会涉及到数据的读写。我们知道程序运行的数据是存储在主存中，这时就会有一个问题，读写主存中的数据没有CPU中执行指令的速度快，如果任何的交互都需要与主存打交道则会大大影响效率，所以就有了CPU高速缓存。CPU高速缓存为某个CPU独有，只与在该CPU运行的线程有关。

有了CPU高速缓存虽然解决了效率问题，但是它会带来一个新的问题：数据一致性。在程序运行中，会将运行所需要的数据复制一份到CPU高速缓存中，在进行运算时CPU不再也主存打交道，而是直接从高速缓存中读写数据，只有当运行结束后才会将数据刷新到主存中。举一个简单的例子：

    i++i++
    当线程运行这段代码时，
    首先会从主存中读取i( i = 1)，
    然后复制一份到CPU高速缓存中，
    然后CPU执行 + 1 （2）的操作，
    然后将数据（2）写入到告诉缓存中，
    最后刷新到主存中。
    其实这样做在单线程中是没有问题的，有问题的是在多线程中。如下：
    
    假如有两个线程A、B都执行这个操作（i++），按照我们正常的逻辑思维主存中的i值应该=3，但事实是这样么？分析如下：
    
    两个线程从主存中读取i的值（1）到各自的高速缓存中，然后线程A执行+1操作并将结果写入高速缓存中，最后写入主存中，此时主存i==2,线程B做同样的操作，主存中的i仍然=2。所以最终结果为2并不是3。这种现象就是缓存一致性问题。

• 解决缓存一致性方案有两种：

1. 通过在总线加LOCK#锁的方式
   通过缓存一致性协议
   但是方案1存在一个问题，它是采用一种独占的方式来实现的，即总线加LOCK#锁的话，只能有一个CPU能够运行，其他CPU都得阻塞，效率较为低下。

2. 第二种方案，缓存一致性协议（MESI协议）它确保每个缓存中使用的共享变量的副本是一致的。其核心思想如下：当某个CPU在写数据时，如果发现操作的变量是共享变量，则会通知其他CPU告知该变量的缓存行是无效的，因此其他CPU在读取该变量时，发现其无效会重新从主存中加载数据。

一个int变量，用volatile修饰，多线程去操作++，线程安全吗？

    不安全。volatile只能保证可见性，并不能保证原子性。
    i++实际上会被分成多步完成：
    1）获取i的值；
    2）执行i+1；
    3）将结果赋值给i。
    volatile只能保证这3步不被重排序，多线程情况下，可能两个线程同时获取i，执行i+1，然后都赋值结果2，实际上应该进行两次+1操作。

那如何才能保证i++线程安全？

可以使用java.util.concurrent.atomic包下的原子类，如AtomicInteger。
其实现原理是采用CAS自旋操作更新值。CAS即compare and swap的缩写，中文翻译成比较并交换。CAS有3个操作数，内存值V，旧的预期值A，要修改的新值B。当且仅当预期值A和内存值V相同时，将内存值V修改为B，否则什么都不做。自旋就是不断尝试CAS操作直到成功为止。

CAS实现原子操作会出现什么问题？

ABA问题。因为CAS需要在操作之的时候，检查值有没有发生变化，如果没有发生变化则更新，但是如果一个值原来是A，变成，有变成A，那么使用CAS进行检查时会发现它的值没有发生变化，但实际上发生了变化。ABA问题可以通过添加版本号来解决。Java 1.5开始，JDK的Atomic包里提供了一个类AtomicStampedReference来解决ABA问题。
循环时间长开销大。pause指令优化。
只能保证一个共享变量的原子操作。可以合并成一个对象进行CAS操作。