Java并发——volatile的原理

volatile关键字就是Java中提供的另一种解决可见性和有序性问题的方案。对于原子性，需要强调一点，也是大家容易误解的一点：对volatile变量的单次读/写操作可以保证原子性的，如long和double类型变量，但是并不能保证i++这种操作的原子性，因为本质上i++是读、写两次操作。

1 volatile的原理

1.1 可见性

在前文中已经提及过，线程本身并不直接与主内存进行数据的交互，而是通过线程的工作内存来完成相应的操作。这也是导致线程间数据不可见的本质原因。因此要实现volatile变量的可见性，直接从这方面入手即可。对volatile变量的写操作与普通变量的主要区别有两点：

• 修改volatile变量时会强制将修改后的值刷新的主内存中
• 修改volatile变量后会导致其他线程工作内存中对应的变量值失效。因此，再读取该变量值的时候就需要重新从读取主内存中的值。

通过这两个操作，就可以解决volatile变量的可见性问题。

1.2 原子性

volatile只能保证对单次读/写的原子性。因为long和double两种数据类型的操作可分为高32位和低32位两部分，因此普通的long或double类型读/写可能不是原子的。因此，鼓励大家将共享的long和double变量设置为volatile类型，这样能保证任何情况下对long和double的单次读/写操作都具有原子性。

1.3 顺序性

在解释这个问题前，我们先来了解一下Java中的happen-before规则：如果a happen-before b，则a所做的任何操作对b是可见的。

JSR 133中定义的happen-before规则有：

• 同一个线程中的，前面的操作 happen-before 后续的操作。（即单线程内按代码顺序执行。但是，在不影响在单线程环境执行结果的前提下，编译器和处理器可以进行重排序，这是合法的。换句话说，这一是规则无法保证编译重排和指令重排）
• 监视器上的解锁操作 happen-before 其后续的加锁操作。（Synchronized 规则）
• 对volatile变量的写操作 happen-before 后续的读操作。（volatile 规则）
• 线程的start() 方法 happen-before 该线程所有的后续操作。（线程启动规则）
• 线程所有的操作 happen-before 其他线程在该线程上调用 join 返回成功后的操作
• 如果 a happen-before b，b happen-before c，则a happen-before c（传递性）

1.4 内存屏障

为了实现volatile可见性和happen-befor的语义。JVM底层是通过一个叫做“内存屏障”的东西来完成。内存屏障，也叫做内存栅栏，是一组处理器指令，用于实现对内存操作的顺序限制。下面是完成上述规则所要求的内存屏障：

• LoadLoad 屏障

执行顺序：Load1—>Loadload—>Load2

确保Load2及后续Load指令加载数据之前能访问到Load1加载的数据。

• StoreStore 屏障

执行顺序：Store1—>StoreStore—>Store2

确保Store2以及后续Store指令执行前，Store1操作的数据对其它处理器可见。

• LoadStore 屏障

执行顺序： Load1—>LoadStore—>Store2

确保Store2和后续Store指令执行前，可以访问到Load1加载的数据。

• StoreLoad 屏障

执行顺序: Store1—> StoreLoad—>Load2

确保Load2和后续的Load指令读取之前，Store1的数据对其他处理器是可见的。