Java之volatile的实现

上一篇说了Java的内存模型，并留下“volatile的可见性就一定是立即可见的吗？synchronize了有为何还需要volatile？”的疑问，这篇文章试着讲讲它们的恩恩怨怨。

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volatile

volatile有两层语义，第一层保证不同线程间的可见性；第二层则是禁止指令重排。

针对第一层，我们在Java内存模型一文中已分析，它通过load和store指令，从主存加载变量值或者将修改后的变量值存储进主存，让其他线程可见。从这里我们可以看到在加载和保存的过程中，是会有时间差的，如果此时另外一个线程B来了，B完全可以在最新的变量未保存进主存的时候，去读取到了旧的值。如下面的例子中，跑出来的值很明显是有漏加的情况

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    VolatileDemo demo = new VolatileDemo();
    Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            demo.run();
        }
    });
    Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
           demo.run();
        }
    });
    t1.start();
    t2.start();
    Thread.sleep(10000);
}

这也就是为啥volatile既然有保证线程可见性，为啥还需要加锁了，有些人可能觉得这跟普通成员变量有啥子区别，因为就算是普通的成员变量它也可以被其他线程可见，它在不加锁的情况下，并发访问时也存在的线程安全的问题。

确实如此，但volatile可以让这个数据及时同步至主存并每次从主存load进变量值，而普通成员变量则不会了，虽然它也会同步至主存，但对于其他线程来说，每次访问该变量时，是不会load最新值的。

老千层饼之第二层，禁止指令重排，指令重排是CPU的优化机制， 举一个烂大街的例子，拿这句代码来说，`VolatileDemo demo = new VolatileDemo()`它主要包含三层操作：

1. 在主存分配一块区域
2. 初始化VolatileDemo
3. 返回该区域的引用给demo

在不违背as-if-serial语义的情况下，CPU可以将1-2-3的顺序调整为1-3-2。这里会产生一个问题(（举一个烂大街的例子）：在重排序后，由于VolatileDemo 已经初始化了（半初始），所以在经过图1的操作时，会判断，结果不为null（半初始话状态），然后就返回了，但此时对象还没完全初始化完毕，结果在用demo执行相关的方法时则会NPE。（图中没有将构造方法私有化）

在阐述重排序带来的问题后，那volatile如何禁止重排序呢？答案是加内存屏障指令。对于写操作而言，前后需要如下指令，表明前面的指令必须先store完，才能执行volatile的写，只有volatile的写store后，下面的指令才能load。

1. storestoreBarrier
   
2. storeloadBarrier

对于volatile的读操作，需要加如下指令，让前面load完指令，才执行load的读操作（这里感觉有点儿鸡肋），load的读操作在store后才能执行后边的指令。
1. loadloadBarrier
3. loadstoreBarrier

上面将的屏障指令是JVM上实现的，在CPU的实现上，它会通过“lock.."全屏障的方式，具体是进行锁总线（CPU和内存交互的通道），这种方式简单粗暴且大多数CPU支持这种方式，通过这种方式，实现了重排序的实现。

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指令重排

为何需要指令重排呢，因为CPU在执行多个指令的时候，有个别指令涉及访问内存的时候相当于CPU内部操作是比较费时的，所以对于一些比较费时的指令，可能不会立刻执行，会对后边的指令先指令，充分压榨CPU的效率。

as-if-serial

中文为看上去就像串行的？尽管CPU出于高效利用的目的，会进行指令重排，但也遵守一个规约，你再怎么重排，也不能改变单线程情况下程序的执行结果。
为了遵守as-if-serial语义，编译器和处理器不会对存在数据依赖关系的操作做重排序。如：

int i = 20;
int j = 30;
int result = i * j

上面的例子中，result的结果依赖于i和j所以该行代码不可能重排到一二行代码的前面。