volatile原理技术知识整理

volatile是一种轻量且在有限的条件下线程安全技术，它保证修饰的变量的可见性和有序性，但非原子性。相对于synchronize高效，而常常跟synchronize配合使用。

volatile原理.png

一. Java内存模型

这里主要描述的线程，工作内存，主存的变量的读写关系：

主存存放线程需要操作的变量，但线程并不直接操作主存。
每个线程读取主存变量都是先拷贝一份到工作内存中，不同线程工作内存互不干扰。
线程修改了工作内存后，再写回主存中。
每次从主存读写的过程都需要经过8原子性操作。

java内存模型.png

二. volatile可见性

1. volatile特殊性

(1) 操作use之前必须先执行read和load操作。
(2) 操作assign之后必须执行store和write操作。

由特性性保证了read、load和use的操作连续性，assign、store和write的操作连续性，从而达到工作内存读取前必须刷新主存最新值；工作内存写入后必须同步到主存中。读取的连续性和写入的连续性，看上去像线程直接操作了主存。

扩展：
lock和unlock操作并不直接开放给用户使用，而是提供给像Synchronize关键字指定monitorenter和monitorexit隐式使用。关于Synchronize的监听器锁monitor，javac编译后会在作用的方法前后增加monitorenter和monitorexit指令，详细的可以查看Synchronize原理。

2. 代码验证可见性

public class VolatileVisibility {

public static class TestData {
    volatile int num = 0;
    public void updateNum(){
        num = 1;
    }
}

public static void main(String[] args) {
    final TestData testData = new TestData();
    new Thread(new Runnable() {
        
        @Override
        public void run() {
            System.out.println("ChildThread num-->"+testData.num);
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            testData.updateNum();
            System.out.println("ChildThread update num-->"+testData.num);
        }
    }).start();
    
    while (testData.num == 0){
     }
    
    System.out.println("MainThread num-->"+testData.num);
  }
}

(1) TestData中的num不添加volatile关键字，System.out.println("MainThread num-->"+testData.num);这一句一直不会执行。表示while中的条件testData.num == 0一直为0，子线程修改了num对主线程不起作用。

(2) TestData中的num添加volatile关键字，System.out.println("MainThread num-->"+testData.num);会执行，结果如下。

ChildThread num-->0
ChildThread update num-->1
MainThread num-->1

三. volatile非原子性

1. use和assign这两个操作整体上不是一个连续性的原子操作。

volatile本身并不对数据运算处理维持原子性，强调的是读写及时影响主存。

2. 非原子性操作

volatile修饰num，num++；num = num+1；这种就是非原子性操作。

(1) 主存读取num的值；
(2) 进行num++运算；
(3) 将num值写到主存。

像种操作在多线程环境中，use和assign是多次出现，如果有两个线程中读取到主存的num都是2，且同时执行num++，两个线程的结果都是3，这样就产生了脏数据，再写入主存中都是3。核心num++运算并没保证先后顺序执行。为了保证执行运算的线程顺序，可以选择Synchronize。

3. 代码验证非原子性

public class ValatileAtomic {
public static class TestData {
    volatile int num = 0;
      //synchronized
    public void updateNum(){
        num++;
    }
}

public static void main(String[] args) {
    final TestData testData = new TestData();
    for(int i = 1; i <= 10; i++) {
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                for (int j = 1; j <= 1000; j++) {
                    testData.updateNum();
                }
            }
        }).start();
    }
    
    while (Thread.activeCount() > 2) {
        Thread.yield();
    }
    System.out.println("最终结果：" + testData.num);
  }
}

按我们的意愿10个线程，每个线程累加线程累加1000，一共是10 * 1000=10000。但是volatile int num = 0; 使用volatile与否都是体现非原子性，运行的结果都比10000小：

最终结果：9701

为了实现同步操作，在方法updateNum()前添加关键字synchronize即可：

最终结果：10000

四. volatile有序性

1. volatile禁止指令重排

(1) 指令重排：为了提高性能，编译器和和处理器通常会对指令进行指令重排序。

指令重排.png

图中的三个重排位置可以调换的，根据系统优化需要进行重排。遵循的原则是单线程重排后的执行结果要与顺序执行结果相同。

(2) 内存屏障指令：volatile在指令之间插入内存屏障，保证按照特定顺序执行和某些变量的可见性。

volatile就是通过内存屏障通知cpu和编译器不做指令重排优化来维持有序性。

2. synchronize串行控制

(1) synchronize无禁止指令重排。
(2) 一个变量在同一时刻只允许一条线程对其进行lock操作，获取对象锁，互斥排他性达到两个同步块串行执行。

五. volatile线程安全适用范围

由于volatile的非原子性原因，所以它的线程安全是有条件的：

(1) 运算结果不依赖但前置，或者能保证自由一个单一线程修改变量值。
(2) 变量不需要与其他的状态变量共同参与不变的约束。
这两条件描述出自于《深入理解java虚拟机》。

六. volatile与synchronize配合使用

1. DCL单例代码

public class Singleton {

private volatile static Singleton instance = null;
private Singleton(){
    
}

public static Singleton getInstance(){
    if(instance == null){ // 第①处
        synchronized (Singleton.class) {
            if(instance == null){  // 第②处
                instance = new Singleton();
            }
        }
    }
    return instance;
  }
}

2.为什么还要使用volatile来修饰

按照上边的写法已经对new Singleton();这个操作进行了synchronize操作，已经保证了多线程只能串行执行这个实例化代码。事实上，synchronize保证了线程执行实例化这段代码是串行的，但是Synchronize并不具备禁止指令重排的特性。

而instance = new Singleton(); 主要做了3件事情：
(1) java虚拟机为对象分配一块内存x。
(2) 在内存x上为对象进行初始化。
(3) 将内存x的地址赋值给instance 变量。

如果编译器进行重排为：
(1) java虚拟机为对象分配一块内存x。
(2) 将内存x的地址赋值给instance 变量。
(3) 在内存x上为对象进行初始化。

第一种情况，无volatile修饰：此时，有两个线程执行getInstance()方法，加入线程A进入代码的注释中的第②处，并执行到了重排指令的（2），与其同时线程B刚好代码注释中的第①处的if判断。此时，instance有线程A把内存地址x地址赋值给了instance，那么instance已经不为空只是没有初始化完成，线程B就返回了一个没有完成初始化的instance，最终使用时候会处现空指针的错误。

第二种情况，有volatile修饰：instance因为被volatile的禁止指令重排的特性，那只会安装先初始化对象再赋值给instance这样顺序执行，这样就能保证返回正常的实例化的对象。

七. 小结

volatile具有可见性和有序性，不能保证原子性。
volatile在特定情况下线程安全，比如自身不做非原子性运算。
synchronize通过获取对象锁，保证代码块串行执行，无禁止指令重排能力。
DCL单例操作需要volatile和synchronize保证线程安全。