Java笔记——volatile
以下内容皆为从网络上摘抄整理而来，仅用于本人只是积累
一、volatile简介
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”。
现在我们有了一个大概的印象就是：被volatile修饰的变量能够保证每个线程能够获取该变量的最新值，从而避免出现数据脏读的现象。
二、实现原理
每个线程操作数据的时候会把数据从主内存读取到自己的工作内存，如果他操作了数据并且写回了，那其他已经读取的线程的变量副本就会失效了，对数据进行操作又需要再次去主内存中读取了。
volatile保证不同线程对共享变量操作的可见性，也就是说一个线程修改了volatile修饰的变量，当修改写回主内存时，另外一个线程立即看到最新的值。
是不是看着加一个关键字很简单，但实际上他在背后含辛茹苦默默付出了不少，从计算机层面的缓存一致性协议解释一下这些名词的意义。
当多个处理器的运算任务都涉及同一块主内存区域时，将可能导致各自的缓存数据不一致，如果真的发生这种情况，那同步回到主内存时以谁的缓存数据为准呢？
为了解决一致性的问题，需要各个处理器访问缓存时都遵循一些协议，在读写时要根据协议来进行操作，这类协议有MSI、MESI（IllinoisProtocol）、MOSI、Synapse、Firefly及DragonProtocol等。
2.1 MESI（缓存一致性协议）
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。
2.2 嗅探
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。
2.3 总线风暴
由于Volatile的MESI缓存一致性协议，需要不断的从主内存嗅探和cas不断循环，无效交互会导致总线带宽达到峰值。
所以不要大量使用Volatile，至于什么时候去使用Volatile什么时候使用锁，根据场景区分。
2.4 总结
volatile是怎样实现了？比如一个很简单的Java代码：
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。我们想这个 Lock 指令肯定有神奇的地方，那么 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：
- 将当前处理器缓存行的数据写回系统内存；
- 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：
- Lock前缀的指令会引起处理器缓存写回内存；
- 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；
- 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。
三、volatile的happens-before关系
经过上面的分析，我们已经知道了volatile变量可以通过缓存一致性协议保证每个线程都能获得最新值，即满足数据的“可见性”。
如果一个操作执行的结果需要对另一个操作可见，那么这两个操作之间必须存在happens-before关系。
在六条happens-before规则中有一条是：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。下面我们结合具体的代码，我们利用这条规则推导下：
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
}
}
}
上面的实例代码对应的happens-before关系如下图所示：
加锁线程A先执行writer方法，然后线程B执行reader方法，图中每一个箭头两个节点就代码一个happens-before关系，黑色的代表根据程序顺序规则推导出来，红色的是根据volatile变量的写happens-before 于任意后续对volatile变量的读，而蓝色的就是根据传递性规则推导出来的。这里的2 happen-before 3，同样根据happens-before规则定义：如果A happens-before B，则A的执行结果对B可见，并且A的执行顺序先于B的执行顺序，我们可以知道操作2执行结果对操作3来说是可见的，也就是说当线程A将volatile变量 flag更改为true后线程B就能够迅速感知。
四、volatile的内存语义
还是以上面的代码为例，假设线程A先执行writer方法，线程B随后执行reader方法，初始时线程的本地内存中flag和a都是初始状态，下图是线程A执行volatile写后的状态图。
当volatile变量写后，线程中本地内存中共享变量就会置为失效的状态，因此线程B再需要读取从主内存中去读取该变量的最新值。下图就展示了线程B读取同一个volatile变量的内存变化示意图。
从横向来看，线程A和线程B之间进行了一次通信，线程A在写volatile变量时，实际上就像是给B发送了一个消息告诉线程B你现在的值都是旧的了，然后线程B读这个volatile变量时就像是接收了线程A刚刚发送的消息。既然是旧的了，那线程B该怎么办了？自然而然就只能去主内存去取啦。
五、内存屏障
我们都知道，为了性能优化，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。
java编译器会在生成指令系列时在适当的位置会插入 内存屏障 指令来禁止特定类型的处理器重排序。
为了实现volatile的内存语义，JMM会限制特定类型的编译器和处理器重排序，JMM会针对编译器制定volatile重排序规则表：
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。
写
读
六、无法保证原子性
原子性就是一次操作，要么完全成功，要么完全失败。
假设现在有N个线程对同一个变量进行累加也是没办法保证结果是对的，因为读写这个过程并不是原子性的。
要解决也简单，要么用原子类，比如AtomicInteger，要么加锁(记得关注Atomic的底层)。
七、volatile与synchronized的区别
synchronized 关键字和 volatile 关键字是两个互补的存在，而不是对立的存在！
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volatile只能修饰实例变量和类变量，而synchronized可以修饰方法，以及代码块。
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volatile保证数据的可见性，但是不保证原子性(多线程进行写操作，不保证线程安全)；synchronized 关键字两者都能保证，并且synchronized是一种排他(互斥)的机制。
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volatile用于禁止指令重排序：可以解决单例双重检查对象初始化代码执行乱序问题。
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volatile关键字主要用于解决变量在多个线程之间的可见性，而 synchronized 关键字解决的是多个线程之间访问资源的同步性。
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volatile可以看做是轻量版的synchronized，volatile不保证原子性，但是如果是对一个共享变量进行多个线程的赋值，而没有其他的操作，那么就可以用volatile来代替synchronized，因为赋值本身是有原子性的，而volatile又保证了可见性，所以就可以保证线程安全了。
八、总结
- volatile修饰符适用于以下场景：某个属性被多个线程共享，其中有一个线程修改了此属性，其他线程可以立即得到修改后的值，比如boolean flag;或者作为触发器，实现轻量级同步。
- volatile属性的读写操作都是无锁的，它不能替代synchronized，因为它没有提供原子性和互斥性。因为无锁，不需要花费时间在获取锁和释放锁上，所以说它是低成本的。
- volatile只能作用于属性，我们用volatile修饰属性，这样compilers就不会对这个属性做指令重排序。
- volatile提供了可见性，任何一个线程对其的修改将立马对其他线程可见，volatile属性不会被线程缓存，始终从主存中读取。
- volatile提供了happens-before保证，对volatile变量v的写入happens-before所有其他线程后续对v的读操作。
- volatile可以使得long和double的赋值是原子的。
- volatile可以在单例双重检查中实现可见性和禁止指令重排序，从而保证安全性。