volatile的可见性和禁止重排序

1.volatile概述

volatile是一个关键字，它能保证变量在多线程之间的可见性，禁止CPU执行时进行指令重排操作（内存屏障）从而能保证有序执性，但是它并不能保证原子性。

观察加入volatile关键字和没有加入volatile关键字时所生成的汇编代码发现，加入volatile关键字时，会多出一个lock前缀指令。

lock前缀指令相当于一个内存屏障（也称为内存栅栏），内存屏障会提供3个功能：

（1）它确保指令重排序时，不会把后面的指令排到内存屏障之前的位置，也不会把前面的指令排到内存屏障的后面；也即是，在执行到内存屏障这个指令时，在他前面的操作已经完成。

（2）它会强制将缓存的修改操作立即写入主存。

（3）如果是写操作，他会导致其他CPU中对应的缓存无效。

所以

2.volatile的可见性

• 可见性：

volatile的功能就是，将被修改的变量，在被修改后可以立即同步到主内存，被修改的变量在每次被使用之前都从主内存刷新，其实本质也是通过内存屏障来实现可见性。

写内存屏障（Store Memory Barrier）可以促使处理器将当前store buffer（存储缓存）的值写会主存，读内存屏障（Load Memory Barrier）可以促使处理器处理invalidate queue（失效队列）。进而避免由于store buffer和invalidate queue的非实时性带来的问题。

代码：

public class VolatileDemo {
    //定义一个共享变量
    private static boolean flag;

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("开启main线程。。。");

        Thread t1 = new Thread(() -> {
            while (!flag) {
                //System.out.println("值未改变，当前值为：" + flag);
            }
            System.out.println("线程:" + Thread.currentThread().getName() + "感知到了flag值的变化,当前值为：" + flag);
        }, "t1");
        t1.start();

        //主线程睡眠100毫秒
        try {
            Thread.sleep(100);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            flag = true;
            System.out.println("线程:" + Thread.currentThread().getName() + "将值改为：true");
        }, "t2");
        t2.start();
    }

}

上面代码很简单 定义一个共享变量（此时没有加volatile修饰），开启两个线程，一个线程修改变量的值，另外一个线程一直去循环获取修改后的值。

执行结果：

当我执行这段代码的时候就会发现，程序一直在执行没有结束，线程 T1一直没有获取到线程T2修改后的值。（其实一直等下去线程T1也是能获取到最新的flag值，不过不知道要等到猴年马月，我没有继续等哈哈）

加上volatile关键字之后再执行刚才的代码。

 在让我们看一下执行结果

很显然T2将 flag值 false--->true，T1立即就获取到了更新后的值。

2.1总结

        通过上述例子，我们会发现当变量没有被volatile 关键字修饰的时候，多线程对变量的操作结果很难被其他线程发现。当变量被volatile关键字修饰以后，多线程操作变量的结果会瞬间被其他线程发现，这也就是本节第二个知识点：volatile支持可见性。

3.volatile禁止指令重排

        volatile关键字另一个作用就是禁止指令重排优化，从而避免多线程环境下程序出现乱序执行的现象，关于指令重排优化前面已详细分析过，这里主要简单说明一下volatile是如何实现禁止指令重排优化的。先了解一个概念，内存屏障(Memory Barrier）。

硬件层的内存屏障

Intel硬件提供了一系列的内存屏障，主要有： 

1. lfence，是一种Load Barrier 读屏障 

2. sfence, 是一种Store Barrier 写屏障 

3. mfence, 是一种全能型的屏障，具备ifence和sfence的能力 

4. Lock前缀，Lock不是一种内存屏障，但是它能完成类似内存屏障的功能。Lock会对CPU总线和高速缓存加锁，可以理解为CPU指令级的一种锁。它后面可以跟ADD, ADC, AND, BTC, BTR, BTS, CMPXCHG, CMPXCH8B, DEC, INC, NEG, NOT, OR, SBB, SUB, XOR, XADD, and XCHG等指令。

不同硬件实现内存屏障的方式不同，Java内存模型屏蔽了这种底层硬件平台的差异，由JVM来为不同的平台生成相应的机器码。 JVM中提供了四类内存屏障指令：

屏障类型	指令示例	说明
LoadLoad	Load1; LoadLoad; Load2	保证load1的读取操作在load2及后续读取操作之前执行
StoreStore	Store1; StoreStore; Store2	在store2及其后的写操作执行前，保证store1的写操作已刷新到 主内存
LoadStore	Load1; LoadStore; Store2	在stroe2及其后的写操作执行前，保证load1的读操作已读取结束
StoreLoad	Store1; StoreLoad; Load2	保证store1的写操作已刷新到主内存之后，load2及其后的读操作 才能执行

更直观的可以用图形来看：

• 在每个volatile写操作的前面插入一个StoreStore屏障
• 在每个volatile写操作的后面插入一个StoreLoad屏障
• StoreStore屏障将保障上面所有的普通写操作结果在volatile写之前会被刷新到主内存->普通写操作对其他线程可见
• StoreLoad屏障的作用是避免volatile写操作与后面可能有的volatile读/写操作重排序
   

• 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadLoad屏障
• 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadStore屏障
• LoadStore屏障用来禁止编译器把上面的volatile读操作与下面的普通读写操作重排序

 

 3.1总结 

        volatile只能保证可见性和有序性但不能保证原子性，原子性需要通过Synchronized这样的锁机制实现

四：volatile不支持原子性

public class Test1 {
    //定义一个对象
    private static int number = 0;
 
    public static void main(String[] args) {
 
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10);
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            executorService.submit(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    for (int j = 0; j < 10000; j++) {
                        number++;
                    }
                }
            });
        }
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(number);
    }
}

上面这段代码也是很简单的一段代码，相信大家都能看明白。。按照正常情况输出结果都应该为 ：10*10000=1000000。

接下来让我们执行一下看看效果，第一次执行变量number没有添加volatile关键字修饰，我们执行多次发现最终结果小于预期结果

第二次执行，这次我们使用volatile来修饰number，执行结果如下：

结果依然小于逾期结果

下面看两组代码，其实效果是一样的

代码一：

public class Test2 {
    //定义一个对象
    private volatile static int number = 0;
    private static Object object = new Object();
 
    public static void main(String[] args) {
 
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10);
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            executorService.submit(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    //我们使用synchronized给下面的代码加上一个同步锁
                    synchronized (object) {
                        for (int j = 0; j < 10000; j++) {
                            number++;
                        }
                    }
                }
            });
        }
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(number);
    }
}
 

代码二：

public class Test2 {

    //定义一个对象
    private static int number = 0;
    
    //我们使用synchronized给下面的方法加上一个同步锁
    public synchronized static void add() {
        for (int j = 0; j < 10000; j++) {
            number++;
        }
    }

    public static void main(String[] args) {

        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10);
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            executorService.submit(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    add();
                }
            });
        }
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(number);
    }

}

两组代码，不管执行多少次，执行结果都是100000，与逾期结果一样

看代码我们发现我们使用到了Synchronized，它是干什么的？

Synchronized实现了线程同步锁机制，它能保证原子性。Synchronized是JVM的内置锁 ，类似的还可以使用ReentrantLock进行加锁。它们之间有什么区别，我们该怎么选择？

4.1总结

volatile不能保证原子性，要想保证原子性我们要使用锁机制。