Volatile可见性原理

什么叫做可见性

可见性又叫读写可见。即一个共享变量N，当有两个线程T1、T2同时获取了N的值，T1修改N的值，而T2读取N的值，可见性规范要求T2读取到的值必须是T1修改后的值。

volatile保证可见性原理

java内存模型大致由工作内存和主存阻塞。

以多核CPU为例（两核），CPU的速度比内存要快，CPU都会有自己的高速缓存区，当内核运行的线程执行一段代码时，首先要将这段代码的指令集填充到高速缓存，若是变量被CPU修改后，会将修改的值刷新到高速缓存，然后在刷新到内存中。此时若另一个内核使用这个变量，这个变量依然是旧的。

volatile修饰的内存.png

而volatile关键字解决的问题就是：当一个线程写入该值后，另一个线程读取的必定是新值。

volatile保证了修饰的共享变量在转换为汇编语言时，会加上一个以lock为前缀的指令，当CPU发现这个指令时，立即会做两件事情：

1. 将当前内核中线程工作内存中该共享变量刷新到主存；
2. 通知其他内核里缓存的该共享变量内存地址无效；

MESI协议：在早期的CPU中，是通过在总线加LOCK#锁的方式实现的，但是这种方式开销太大，所以Intel开发了缓存一致性协议，也就是MESI协议。该缓存一致性思路：当CPU写数据时，如果发现操作的变量时共享变量，即其他线程的工作内存也存在该变量，于是会发信号通知其他CPU该变量的内存地址无效。当其他线程需要使用这个变量时，如内存地址失效，那么它们会在主存中重新读取该值。

volatile是一种非锁机制，这种机制可以避免锁机制引起的上下文切换。

volatile为什么没有原子性

volatile保证了读写一致性。但是当线程2已经使用旧值完成了运算指令，且将要回写到内存时，是不能保证原子性的。

具体化：使用git或svn开发项目时存在主干和分支，有一个全项目都使用的枚举类，所以小A修改了该类立即提交主干，并通知组内成员：“你们使用这个类时需要在主干上拉取一下”，但是此时小B在旧版本开发完毕并且正在提交这个类，导致了冲突。

volatile防止指令重排

普通变量仅仅会保证在该方法执行过程中所有依赖赋值结果的地方都能得到正确的结果，而不能保证变量赋值操作的顺序域代码中的执行顺序一致。

编译后的内存清单

被volatile修饰的变量，会加一个lock前缀的汇编指令。若变量被修改后，会立刻将变量由工作内存回写到主存中。那么意味了之前的操作已经执行完毕。这就是内存屏障。

3. 浅谈原子性、可见性与有序性

3.1 原子性：

我们大致可以认为基本数据类型的访问读写时具有原子性的（例外的就是long和double的非原子性协议）。如果应用场景需要一个更大范围的原子性保证。那么就需要synchronized关键字保证了。

3.2 可见性：

可见性是指当一个线程修改了共享变量的值，其他线程能够立即感知这个修改。Java内存模型通常在变量修改后将新值同步回主内存，在变量读取前从主内存刷新变量值，依赖主内存作为传递媒介的方式实现可见性的。无论是普通变量还是volatile变量都是如此，普通变量和volatile变量的唯一区别就是：volatile的特殊规则保证了新值能立即同步到主内存，以及每次使用前立即从主内存刷新。因此volatile保证了多线程操作时变量的可见性，而普通变量则不能保证这一点。

除了volatile之外，Java还有两个关键字能实现可见性，即synchronized和final。同步块的可见性是由“对一个变量执行unlock操作之前，必须先把此变量同步回主内存这条规则获得的”，而final关键字的可见性是指：被final修饰的字段在构造器中一旦初始化，并且构造器没有把“this”的引用传递出去（this引用逃逸是一件危险的事情，其他线程很可能通过这个引用访问到“初始化一半”的对象），那么其他线程就能看见final字段的值。

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说到这，不得不聊一下引用逃逸
Java分配在堆上的对象都是靠引用操作的，当对象在某个方法中被定义好之后。那么就将其引用作为其他方法的参数传递出去，这就叫做对象的引用逃逸。

如果原本的对象在当前方法结束后就会被垃圾回收器标记回收，但由于其引用被传递出去。被一个长期存活的对象所持有，那么对于GC Roots来说，他就是可达对象。声明周期就是持有对象的生命周期。可能造成内存泄露。

this逃逸是指构造函数返回之前其他对象就持有该对象的引用调用尚未构造完成的对象方法可能引起错误。
this逃逸经常发生在构造函数中启动线程或注册监听器，如：

public class ThisEscape {
    public ThisEscape() {
        new Thread(new EscapeRunnable()).start();
        // ...其他代码
    }
    
    private class EscapeRunnable implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            // 在这里通过ThisEscape.this就可以引用外围类对象, 但是此时外围类对象可能还没有构造完成, 即发生了外围类的this引用的逃逸
        }
    }
}

解决办法：

public class ThisEscape {
    private Thread t;
    public ThisEscape() {
        t = new Thread(new EscapeRunnable());
        // ...其他代码
    }
    public void init() {
        t.start();
    }   
    private class EscapeRunnable implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            // 在这里通过ThisEscape.this就可以引用外围类对象, 此时可以保证外围类对象已经构造完成
        }
    }
}

3.3 有序性：

Java程序天然的有序性可以概括为：如果在本线程内观察，所有的操作都是有序的；如果在一个线程观察另一个线程，所以的操作都是无序的。前半句指的是“线程内表现为串行的语义”，后半句指的是“指令重排序”现象和“工作内存与主内存的同步延迟”现象。

Java语言提供了volatile和synchronized两个关键字保证线程之间操作的有序性。volatile关键字本身就包含了禁止指令重排序的语义，而synchronized则是由“一个变量在同一时刻只允许一条线程对其进行lock操作”这条规则获取的。

参考文章：
Java并发编程之this逃逸问题

https://www.jianshu.com/p/c1b6806616f9