4 volatile

volatile是什么

synchronized是阻塞式同步，在线程竞争激烈的情况下会升级为重量级锁。而volatile就可以说是java虚拟机提供的最轻量级的同步机制。
Java内存模型告诉我们，各个线程会将共享变量从主内存中拷贝到工作内存，然后执行引擎会基于工作内存中的数据进行操作处理。线程在工作内存进行操作后何时会写到主内存中？这个时机对普通变量是没有规定的，而针对volatile修饰的变量给java虚拟机特殊的约定，线程对volatile变量的修改会立刻被其他线程所感知，即不会出现数据脏读的现象，从而保证数据的“可见性”。
volatile的定义：java语言允许线程访问共享变量，为了确保共享变量能被准确和一致的更新，线程应该确保通过排他锁单独获取这个变量。

volatile实现原理

instance = new Instancce() //instance是volatile变量

在生成汇编代码时会在volatile修饰的共享变量进行写操作的时候会多出Lock前缀的指令,类似于下面代码

Lock前缀的指令在多核处理器下会发现什么事情了？主要有这两个方面的影响：

1. 将当前处理器缓存行的数据写回系统内存；
2. 这个写回内存的操作会使得其他CPU里缓存了该内存地址的数据无效

为了提高处理速度，处理器不直接和内存进行通信，而是先将系统内存的数据读到内部缓存（L1，L2或其他）后再进行操作，但操作完不知道何时会写到内存。如果对声明了volatile的变量进行写操作，JVM就会向处理器发送一条Lock前缀的指令，将这个变量所在缓存行的数据写回到系统内存。但是，就算写回到内存，如果其他处理器缓存的值还是旧的，再执行计算操作就会有问题。
所以，在多处理器下，为了保证各个处理器的缓存是一致的，就会实现缓存一致性协议，每个处理器通过嗅探在总线上传播的数据来检查自己缓存的值是不是过期了，当处理器发现自己缓存行对应的内存地址被修改，就会将当前处理器的缓存行设置成无效状态，当处理器对这个数据进行修改操作的时候，会重新从系统内存中把数据读到处理器缓存里。因此，经过分析我们可以得出如下结论：

1. Lock前缀的指令会引起处理器缓存写回内存；
2. 一个处理器的缓存回写到内存会导致其他处理器的缓存失效；
3. 当处理器发现本地缓存失效后，就会从内存中重读该变量数据，即可以获取当前最新值。

这样针对volatile变量通过这样的机制就使得每个线程都能获得该变量的最新值。

缓存一致性协议最出名的就是Intel 的MESI协议，MESI协议保证了每个缓存中使用的共享变量的副本是一致的。它核心的思想是：当CPU写数据时，如果发现操作的变量是共享变量，即在其他CPU中也存在该变量的副本，会发出信号通知其他CPU将该变量的缓存行置为无效状态，因此当其他CPU需要读取这个变量时，发现自己缓存中缓存该变量的缓存行是无效的，那么它就会从内存重新读取。

volatile的happens-before

volatile变量规则：对一个volatile域的写，happens-before于任意后续对这个volatile域的读

public class VolatileExample {
    private int a = 0;
    private volatile boolean flag = false;
    public void writer(){
        a = 1;          //1
        flag = true;   //2
    }
    public void reader(){
        if(flag){      //3
            int i = a; //4
        }
    }
}

上面的情况下，如果两个线程A操作writer，线程B操作reader，那么线程A相对于线程B就存在happen-before关系。
如果线程A happens-before 线程B,则线程A的执行结果对线程B可见，并且线程A的执行顺序先于线程B的执行顺序。

volatile内存语义

JMM在不改变正确语义的前提下，会允许编译器和处理器对指令序列进行重排序，那如果想阻止重排序要怎么办了？答案是可以添加内存屏障。

为了实现volatile内存语义时，编译器在生成字节码时，会在指令序列中插入内存屏障来禁止特定类型的处理器重排序。对于编译器来说，发现一个最优布置来最小化插入屏障的总数几乎是不可能的，为此，JMM采取了保守策略：

1. 在每个volatile写操作的前面插入一个StoreStore屏障；
2. 在每个volatile写操作的后面插入一个StoreLoad屏障；
3. 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadLoad屏障；
4. 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadStore屏障。

需要注意的是：volatile写是在前面和后面分别插入内存屏障，而volatile读操作是在后面插入两个内存屏障

StoreStore屏障：禁止上面的普通写和下面的volatile写重排序；
StoreLoad屏障：防止上面的volatile写与下面可能有的volatile读/写重排序
LoadLoad屏障：禁止下面所有的普通读操作和上面的volatile读重排序
LoadStore屏障：禁止下面所有的普通写操作和上面的volatile读重排序

使用volatile关键字的场景

synchronized关键字是防止多个线程同时执行一段代码，那么就会很影响程序执行效率，而volatile关键字在某些情况下性能要优于synchronized，但是要注意volatile关键字是无法替代synchronized关键字的，因为volatile关键字无法保证操作的原子性。通常来说，使用volatile必须具备以下2个条件：

1. 对变量的写操作不依赖于当前值
2. 该变量没有包含在具有其他变量的不变式中

实际上，这些条件表明，可以被写入 volatile 变量的这些有效值独立于任何程序的状态，包括变量的当前状态。
　　事实上，我的理解就是上面的2个条件需要保证操作是原子性操作，才能保证使用volatile关键字的程序在并发时能够正确执行。因为volatile不能保证原子性。

最著名的应该是double check

public class Singleton {
    private volatile static Singleton instance = null;
    private Singleton() {}
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {// 1
                if (instance == null) {// 2
                    instance = new Singleton();// 3
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

为什么double check需要使用volatile？

双重检测锁定失败的问题并不归咎于 JVM 中的实现 bug，而是归咎于 Java 平台内存模型。内存模型允许所谓的“无序写入”，这也是失败的一个主要原因。

无序写入：
为解释该问题，需要重新考察上述清单中的 //3 行。此行代码创建了一个 Singleton 对象并初始化变量 instance 来引用此对象。这行代码的问题是：在 Singleton 构造函数体执行之前，变量 instance 可能成为非 null 的，即赋值语句在对象实例化之前调用，此时别的线程得到的是一个还会初始化的对象，这样会导致系统崩溃。
什么？这一说法可能让您始料未及，但事实确实如此。在解释这个现象如何发生前，请先暂时接受这一事实，我们先来考察一下双重检查锁定是如何被破坏的。假设代码执行以下事件序列：

1、线程 1 进入 getInstance() 方法。
2、由于 instance 为 null，线程 1 在 //1 处进入 synchronized 块。
3、线程 1 前进到 //3 处，但在构造函数执行之前，使实例成为非 null。
4、线程 1 被线程 2 预占。
5、线程 2 检查实例是否为 null。因为实例不为 null，线程 2 将 instance 引用返回给一个构造完整但部分初始化了的 Singleton 对象。
6、线程 2 被线程 1 预占。
7、线程 1 通过运行 Singleton 对象的构造函数并将引用返回给它，来完成对该对象的初始化。

为展示此事件的发生情况，假设代码行 instance =new Singleton(); 执行了下列伪代码：

mem = allocate(); //为单例对象分配内存空间.
instance = mem; //注意，instance 引用现在是非空，但还未初始化
ctorSingleton(instance); //为单例对象通过instance调用构造函数

这段伪代码不仅是可能的，而且是一些 JIT 编译器上真实发生的。执行的顺序是颠倒的，但鉴于当前的内存模型，这也是允许发生的。所以通过加上volatile关键字保证可见性和有序性。
注意的是：
volatile不保证原子性。把上面的例子改一遍。

public class Test implements Runnable{

    static volatile int sum =0;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                Thread thread = new Thread(new Test());
                thread.start();
            }
            Thread.sleep(5000);
            System.out.println("result: " + sum);
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                sum++;
        }
    }
}

运行结果

因为上面的sum++这个不是原子性操作，不可以通过volatile去保证，为什么sum++不是原子性的，自行google。