理解volatile关键字与synchronize

       本文意在分析java多线程编程中的volatile作用，除了介绍volatile基本信息与使用，还会从多个层面分析volatile的原理，分别从JMM实现规范与内存语义等多个层面解析volatile，做到知其然更知其所以然，才能在多线程编程中更合理的使用volatile关键字；本文也会对和volatile类似的synchronize关键字从多个层面做分析，主要是讲解jdk1.6之后对synchronize关键字的优化。

多线程编程真的比单线程要快么？

       java支持多线程目的是为了让程序异步执行，从而更快的对结果进行处理响应，在大多数情况下，多线程代码比在单线程代码环境中执行的要快，但世事无绝对，多线程代码并不是绝对比单线程快（上下文切换导致性能开销），如何让自己写的多线程代码执行效率高，这就是多线程编程所要面临的挑战。

1.并发编程的挑战

       如上文所言，并发编程的目的是为了让程序运行的更快。但是，并不是启动更多的线程就能让程序最大限度地并发执行，在进行并发编程时，如果希望通过多线程执行任务让程序运行得更快，会面临非常多的挑战，比如上下文切换的问题，死锁的问题，以及受限于硬件和软件的资源限制问题，下面会介绍这些在并发编程中要面临的问题。

1.1上下文切换

cpu分配时间片执行多线程程序示意图

       即使是单核处理器也支持多线程执行代码，CPU通过给每个线程分配时间片来实现此机制。时间片是CPU分配给各个线程的执行时间，因为时间片非常短，所以CPU要通过不停的切换线程执行(这让程序员产生一种幻觉：多个线程是同时在执行的)。在上图中，线程程序1切换到下一线程前，会保存当前任务的状态，以便下一次循环到自己时才能继续恢复执行任务。所以任务从保存到再加载的过程就是一次上下文切换。

       这就像我们同时阅读两本书，在阅读英文书时发现某个单词不认识，去字典查，但在查字典前需要我们先记住当前英文书阅读到了第几页等信息，才能查字典，这样我们才能在查完字典之后继续恢复阅读英文书。这样的切换会影响我们的读书效率，同理上下文切换也会影响多线程的执行速度。

1.2 volatile 简介

       在多线程编程中有两个重要的角色，volatile和synchronize，其中volatile相当于轻量级的synchronize，volatile在多线程并发编程中保证了共享变量的“可见行”，可见行即当一个线程修改这个共享变量时，另一个线程能够读到这个修改的值。volatile使用恰当能够，会比synchronize使用执行成本更低(即使synchronize在1.6之后做了优化)，主要原因是volatile不会引起线程上下文的切换和调度。

1.3 volatile 定义与实现原理

       volatile定义如下：
       java允许线程访问共享变量，为了确保共享变量能够被准确且一致的更新，线程应该用排他锁获得这个变量，java提供了volatile，在某些情况下使用volatile比使用锁更加方便轻量，如果一个共享变量被声明为volatile，java内存模型确保所有线程看到这个变量的值是一致的。

       volatile 实现原理
       在使用volatile变量进行写操作时，CPU会做如下事情：
       java代码如下：

volatile Boolean flag = true;

       转换为汇编语言大致如下：

image.png

       lock指令会在多核处理器下引发两件事情：
       1. 将当前处理器缓存行的数据写回到内存中
       2. 这个写回内存的操作会使其他CPU里缓存了该内存地址的数据无效

多个线程内存与主内存的关系：

image.png

从上图可知，线程A若要与线程B进行通信的话，在java中需要如下两步：

1. 线程A将本地内存A中更新过的共享变量刷到主内存中；
2. 线程B去主内存中读取线程A已经更新到主内存中的共享变量值。

此过程示意图如下：

image.png

以上就是volatile实现原理的大体流程，但如果想更深层次的了解volatile的原理实现，就不得不从volatile的内存语义，与JSR-qee内存模型两个层面开始说起，在从这两个层面开始谈volatile内存语义之前，需要先了解几个概念与现象

1.4 重排序

java程序在执行时，为了提高性能，编译器和处理器常常会对指令进行重排序，重排序分3种类型：

1. 编译器优化的重排序，编译器在不改变单线程程序语义的前提下，可以重新安排语句的执行顺序
2. 指令级并行的重排序。

3. 内存系统的重排序，由于处理器使用缓存和读/写缓冲区，，使得加载和存储操作看上去是在乱序执行

   
   
   image.png

上图的1属于编译器重排序，2，3属于处理器重排序。这些重排序会导致多线程程序出现内存可见行问题
举例如下：

//线程A
a=1;  //A1
x=b;  //A2

//线程B
b=2;
y=a;

假设处理器A和处理器B按程序的顺序并行执行内存访问，最终可能的得到x=y=0；的结果。出现此结果的原因如下：

image.png

虽然处理器执行内存操作的顺序是A1->A2,但内存实际操作的顺序却是A2->A1,此时，处理器A的内存操作顺序被重排序了

image.png