java面试题：voliate底层原理——详解

1. voliate底层原理

1.1 voliate变量的特点

• 可见性： 当一个线程修改了声明为volatile变量的值，新值对于其他要读该变量的线程来说是立即可见的。
• 有序性： volatile变量的所谓有序性也就是被声明为volatile的变量的临界区代码的执行是有顺序的，即禁止指令重排序。
• 受限原子性： volatile变量不可保证原子性

1.2 voliate如何实现变量多线程安全？

• 实际上，voliate实现多线程情况下的变量安全其实就是通过以下两个方式：
  1）实现变量可见性
  2）禁止指令重排序

1.3 voliate读写变量的过程

• 写过程： 当一个线程修改某个voliate变量的值的时候，JMM会把该线程对应的本地内存中的共享变量值刷新到主内存。
• 读过程： 当一个线程读取某个voliate变量的值的时候，JMM会把该线程对应的本地内存置为无效，线程接下来将从主内存读取共享变量。

1.4 voliate可见性底层实现原理

• 实际上voliate的可见性实现借助了CPU的lock指令，即在写voliate变量的时候，在该指令前加一个lock指令，这个指令有两个作用：

  1）写volatile时处理器会将缓存写回到主内存。
  2）一个处理器的缓存写回到主内存会导致其他处理器的缓存失效。（即其他线程缓存该变量地址失效，下次读取时会自动从主存中读取）

如何通知其他线程的工作内存（缓存）失效

嗅探机制工作原理：每个处理器通过监听在总线上传播的数据来检查自己的缓存值是不是过期了，如果处理器发现自己缓存行对应的内存地址修改，就会将当前处理器的缓存行设置无效状态，当处理器对这个数据进行修改操作的时候，会重新从主内存中把数据读到处理器缓存中。

注意：基于 CPU 缓存一致性协议，JVM 实现了 volatile 的可见性，但由于总线嗅探机制，会不断的监听总线，如果大量使用 volatile 会引起总线风暴。所以，volatile 的使用要适合具体场景。

1.5 voliate有序性底层实现原理

• volatile有序性的保证就是通过禁止指令重排序来实现的。指令重排序包括编译器和处理器重排序，JMM会分别限制这两种指令重排序。

• 那么禁止指令重排序又是如何实现的呢？答案是加内存屏障。JMM为volatile加内存屏障有以下4种情况：

voliate的lock指令其实就相当于加了内存屏障，使用了volatile修饰变量,则对变量的写操作,会插入StoreLoad屏障。

上述内存屏障的插入策略是非常保守的，比如一个volatile的写操作前后需要加上StoreStore和StoreLoad屏障，但这个写volatile后面可能并没有读操作，因此理论上只加上StoreStore屏障就可以，的确，有的处理器就是这么做的。但JMM这种保守的内存屏障插入策略能够保证在任意的处理器平台，volatile变量都是有序的。

• 总的来看，内存屏障就是在读写的操作前后加入两条指令，禁止指令重排序。但是这种插入策略比较保守，理论上写的后面可能没有读操作的话就只需要在前面加指令即可。

1.6 voliate为什么不保证原子性

首先说明i++的操作本身就不是原子性的，而是分为三步

1、线程读取i
2、i自增，temp = i + 1
3、刷回主存，i = temp

举例说明：
1）当 i=5 的时候A,B两个线程同时读入了 i 的值，
2）然后A线程执行了 temp = i + 1的操作， 要注意，此时的 i 的值还没有变化，
3）此时B线程也执行了 temp = i + 1的操作，注意，此时A，B两个线程保存的 i 的值都是5，temp 的值都是6，
4）然后A线程执行了 i = temp （6）的操作，此时i的值会立即刷新到主存并通知其他线程保存的 i 值失效，
5）此时B线程需要重新读取 i 的值那么此时B线程保存的 i 就是6，同时B线程保存的 temp 还仍然是6， 然后B线程执行 i=temp （6），所以导致了计算结果比预期少了1

也就是说B线程在自增之后（temp = 6），刷回主存之前，重新获取获取到了当前主存中最新的变量值6，但是此时自增操作已经完成了，这时候再重新将temp=6刷回主存，相当于B没有进行自增。

总之，其实voliate对变量的读写是线程安全的，但是变量的操作却不是线程安全的。

参考博客：https://www.jianshu.com/p/d7f78ac13c6a