java进阶2 -「volatile」
一 内存模型 - 主存高速缓存的一致性
在计算机执行程序时，每条指令都是在CPU中执行的。而执行指令过程中，势必涉及到数据的读取和写入。由于程序运行中的临时数据时存放在主存(物理内存)当中的，CPU执行速度很快，而从内存中读取&写入数据的速度很慢，因此对数据的操作如果通过内存的交互来操作，会大大降低指令执行的速度。因此在CPU中就有了高速缓存。
也就是说，当程序运行过程中会将运算需要的数据从主存复制一份到CPU的高速缓存中，那么CPU进行计算时就可以直接从高速缓存和数据进行交互。当运算结束后，再将高速缓存中的数据刷新到主存当中，比如下面这段代码:
i = i + 1;
当线程执行这个语句时，会先从主存当中读取i的值，然后复制一份到高速缓存当中，然后CPU执行指令对i进行加1操作，然后将数据写入高速缓存，最后将高速缓存中i最新的值刷新到主存当中。
这个代码在单线程中运行时没有任何问题的，但是在多线程中运行就会有问题了。在多核CPU中，每条线程可能运行于不同的CPU中，因此每个线程运行时有自己的高速缓存（对单核CPU来说，其实也会出现这种问题，只不过是以线程调度的形式来分别执行的）。下面我们以多核CPU为例
比如同时有两个线程执行这段代码，假如初始值i的值为0，那么我们希望两个线程执行完之后的值变为2，事实上一定会等于2吗?
考虑这样一种case: 初始时，两个线程分别读取i的值存入各自所在的CPU的高速缓存中，然后线程1进行加1操作，然后把i的最新值1写入到内存。此时线程2的高速缓存当中i的值还是0，进行加1操作后，i的值为1，然后线程2把i的值写入内存。最终结果i的值是1而不是预期的2.这样会出现缓存一致性的问题，通常称这种被多个线程访问的变量为共享变量。也就是说，如果一个变量在多个CPU中都存在缓存（多线程下），那么就可能存在缓存不一致的问题
为了解决缓存不一致问题，通常来说有下面两种解决办法:
1）通过在总线加LOCK#锁的方式
2）通过缓存一致性协议
这两种都是硬件层面上提供的方式
在早期的CPU当中，是通过在总线上加LOCK#锁的形式来解决缓存不一致的问题。因为CPU和其他部件进行通信是通过总线来进行的，如果对总线加LOCK#锁的话，也就是阻塞了其他CPU对其他部件访问(如内存)，从而使得只能有一个CPU能使用这个变量的内存。比如上面例子中"如果一个线程在执行i = i + 1", 如果在执行这段代码的过程中，在总线上发出了LOCK#锁的信号，那么只有等待这段代码完全执行完毕之后，其他CPU才能从变量i所在的内存读取变量，然后进行相应的操作。这样就解决了缓存不一致的问题。
但是上面的方式也有一个问题，由于在锁住总线期间，其他CPU无法访问内存，导致效率低下。所以就出现了缓存一致性协议。最出名的就是Intel的MESI协议，MESI协议保证了每个缓存中使用的共享变量副本是一致的。他的核心思想是: 当CPU写数据时，如果发现操作的变量时共享变量，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识是无效的，那么它就会从内存重新读取。
二 并发编程中的三个概念
1 原子性
原子性即多个操作要么全部执行且执行的过程不会被任何因素打断，要么都不执行。
举个简单的例子，比如下面的为一个32位的变量赋值过程不具备原子性的话，会发生什么后果?
i = 9;
假若一个线程执行到这个语句时，我暂且假设为一个32位的变量赋值包括两个过程: 为低16位赋值，为高16位赋值。那么就可能出现这样的情况: 当将低16位数值写入之后，突然被中断，而此时又有一个线程去读取i的值，那么读取到的就是错误的数据。
2 可见性
可见性是指多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了这个变量的值，其他线程能够立即看得到修改的值
举个简单的例子:
//线程1执行的代码 int i = 0; i = 10; //线程2执行的代码 j = i;
假设执行线程1的是CPU1， 执行线程2的是CPU2. 由上面的分析可知，当线程1执行 i = 10这条语句时，会先把i的初始值加载到CPU1的高速缓存中，然后赋值为10，那么在CPU1的高速缓存当中i的值变为10了，却没有立即写入到主存中。
此时线程2执行 j = i, 它会先去主存读取i的值并加载到CPU2的缓存当中，注意此时内存当中i的值还是0，那么就会使得j的值为0，而不是10
这就是可见性问题，线程1对变量i修改了之后，线程2没有立即看到线程1修改的值
3 有序性
即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。举个简单的例子，看下面这段代码:
int i = 0; boolean flag = false; i = 1; //语句1 flag = true; //语句2
上面代码定义了一个int型变量，定义了一个boolean类型变量，然后分别对两个变量进行赋值操作。从代码顺序上看，语句1是在语句2前面的，那么JVM在真正执行这段代码的时候会保证语句1一定在语句2前面执行吗？不一定，这里可能会发生指令重排序
一般来说，处理器为了提高程序运行效率，可能会对输入代码进行优化，它不保证程序中各个语句的执行先后顺序一致，但是它会保证程序最终执行结果和代码顺序执行的结果是一致的。比如上面的代码中，语句1和语句2谁先执行对最终的程序结果并没有影响，那么就可能在执行过程中，语句2先执行而语句1后执行
虽然处理器会对指令进行重排序，但是它会保证程序最终结果会和代码顺序执行结果相同，靠的是维护一个happens-before的偏序关系，看下面一个例子:
int a = 10; //语句1 int r = 2; //语句2 a = a + 3; //语句3 r = a*a; //语句4
这段代码有4个语句，那么可能的一个执行顺序是:
那么可能是这个执行顺序吗: 语句2 --> 语句1 --> 语句4 --> 语句3
答案是否定的，因为处理器在进行重排序时会考虑指令间的数据依赖性，如果一个指令instruction2必须用到instruction1的结果(有偏序关系)，那么处理器会保证执行顺序。
虽然重排序不会影响单个线程内程序执行的结果，但是多线程呢？看下面一个例子:
//线程1: context = loadContext(); //语句1 inited = true; //语句2 //线程2: while(!inited ){ sleep() } doSomethingwithconfig(context);
上面代码中，由于语句1和语句2没有数据依赖性，因此可能会被重排序。假如发生了重排序，在线程1执行过程中先执行了语句2，而此时线程2会以为初始化已经完成，那么就会跳出while循环，执行doSomethingwithconfig(context)方法，而事实上context并没有被初始化，就会导致程序出错。
从上面可以看出，指令重排序不会影响单个线程的执行，但是会影响到线程并发执行的正确性
也就是说，要想并发程序正确地执行，必须要保证原子性，可见性以及有序性。只有有一个没有保证，就有可能导致程序运行不正确。
三 Java内存模型
多线程中为保证程序执行的正确性， java内存模型为我们提供了哪些保证以及在java中提供了哪些方法和机制呢？
java内存模型规定所有的变量都是存在主存当中(物理内存)，每个线程都有自己的工作内存(高速缓存)。线程对变量的所有操作都必须在工作内存中进行，而不能直接对主存进行操作。并且每个线程不能访问其他线程的工作内存。
那么java语言本身对原子性，可见性以及有序性提供了哪些保证呢?
1 原子性
我们先看下面几个操作哪些操作是原子性的:
x = 10; //语句1 y = x; //语句2 x++; //语句3 x = x + 1; //语句4
答案是1.
语句1是直接将数值10赋值给x，也就是说线程执行这个语句的时候会直接将数值10写入到工作内存中。
语句2实际上包含2个操作，它先要去读取x的值，再将x的值写入工作内存，虽然这两个操作都是原子性操作，但是合起来就不是原子性操作了
语句3，4中都包括三个操作: 读取x的值，进行加1操作，写入新的值
也就是说，只有简单的读取，赋值(而且必须是将数字赋值给某个变量，变量之间的相互赋值不是原子操作)才是原子操作
java内存模型只保证了基本读取和赋值是原子性操作，如果要实现更大范围操作的原子性，可以通过synchronized和lock来实现。由于锁机制可以保证任一时刻只有一个线程执行该代码块，那么自然就不存在原子性问题了，从而保证了原子性。
2 可见性
对于可见性，java提供了volatile关键字来保证可见性。当一个共享变量被volatile修饰时，它会保证修改的值立即被更新到主存，当有其他线程需要读取时，它会去内存中读取新值。而普通的共享变量不能保证可见性，因为普通共享变量被修改之后，什么时候被写入主存是不确定的，当其他线程去读取时，此时内存中可能还是原来的旧值，因此无法保证可见性。
另外，通过锁机制（synchronized/lock）也能够保证可见性，因为保证了同一时刻只有一个线程获取锁然后执行同步代码，并且在释放锁之前会把变量的修改刷新到主存中去，因此可以保证可见性。
3 有序性
java可以通过volatile关键字来保证一定的"有序性"。另外也可以通过锁机制来保证有序性，很显然，锁机制保证每个时刻只有一个线程执行同步代码，相当于时让线程顺序执行同步代码，自然就保证了有序性。
另外，java内存模型具备一些先天的"有序性", 即不需要通过任何手段就能够保证有序性，这个通常称为happens-before原则。如果两个操作的执行次序无法从happens-before原则推导出来，那么它们就不能保证有序性，虚拟机可以随意对它们进行排序。
四 深入剖析volatile关键字
在 Java 中，volatile 关键字可以保证变量的可见性，如果我们将变量声明为 volatile ，这就指示 JVM，这个变量是共享且不稳定的，每次使用它都到主存中进行读取。
1 volatile关键字的两层含义
一旦一个共享变量被volatile修饰之后，那么就具备了两层语义
(1) 保证了不同线程对这个变量进行操作的可见性，即一个线程修改了某个变量的值，新值对其他线程来说是立即可见的
(2) 禁止进行指令重排序
先看一段代码，假如线程1先执行，线程2后执行:
//线程1 boolean stop = false; while(!stop){ doSomething(); } //线程2 stop = true;
这段代码是很典型的一段代码，很多人在中断线程可能都会采用这种标记办法。但是事实上，这段代码会完全运行正确么？即一定会中断线程么？不一定，也许在大多数时候，这个代码能够把线程中断, 但是也有可能会导致无法中断线程（虽然可能性很小，但是只要发生就会造成死循环）
我们知道每个线程在运行过程中都有自己的工作内存，那么线程1在运行的时候，会把stop的值拷贝一份放在自己的工作内存当中，那么当线程2更改了stop变量的值之后，但是还没来得及写入主存当中，线程2转去做其他事情了，那么线程1由于不知道线程2对stop变量的更改，因此还会一直循环下去。
但是使用了volatile修饰之后就变得不一样了:
第一：使用volatile关键字会强制将修改的值立即写入主存
第二：当线程2进行修改时，会导致线程1的工作内存中缓存变量stop的缓存行无效（反映到硬件层的话，就是CPU的L1或者L2缓存中对应的缓存行无效）
第三：由于线程1的工作内存中缓存变量stop的缓存行无效，所以线程1再次读取变量stop的值时会去主存读取。那么线程1读取到的就是最新的正确的值。
2 volatile保证原子性吗？
我们看一个例子:
public class Test { public volatile int inc = 0; public void increase() { inc++; } public static void main(String[] args) { final Test test = new Test(); for(int i=0;i<10;i++){ new Thread(){ public void run() { for(int j=0;j<1000;j++) test.increase(); }; }.start(); } while(Thread.activeCount()>1) //保证前面的线程都执行完 Thread.yield(); System.out.println(test.inc); } }
这段代码的输出结果是多少呢？ 可能咋一看觉得结果是10000，但是事实上运行会发现每次结果都不一致，都是一个小于10000的数字。
可能你会有疑问，不对呀，上面是对变量inc进行自增操作，由于volatile保证了可见性，那么在每个线程中对inc自增完之后，在其他线程中都能看到修改后的值啊，所以有10个线程分别进行了1000次操作，那么最终inc的值应该是1000*10=10000。
这里面就有一个误区了，volatile关键字能保证可见性没有错，但是上面的程序错在没能保证原子性。可见性只能保证每次读取的是最新的值，但是volatile没办法保证对变量的操作的原子性。在前面已经提到过，自增操作是不具备原子性的，它包括(a)读取变量的原始值，(b)进行加1操作，(c)写入工作内存。那么就是说自增的三个子操作可能会分隔开执行，就会可能导致下面这种情况:
假设某个时刻变量inc的值为10，线程1，线程2同时要对inc做自增操作,
那么参考上图，如果线程1先读取了变量值，然后线程1被阻塞了；然后CPU切换到线程2，线程2也去读取变量inc的原始值，由于线程1只是对变量inc进行读取操作，而没有对变量进行修改操作，所以不会导致线程2的工作内存中缓存变量inc的缓存行无效，所以线程2会直接去主存读取inc的值，发现inc的值是10，然后进行加一操作，并把11写入工作内存，最后写入主存。
这时CPU重新切换给了线程1，线程1进行加1操作，由于已经读取了inc的值（不会再次去内存中读)，注意此时在线程1的工作内存中inc的值仍然为10，所以线程1对inc进行加1操作后inc的值为11，然后将11写入工作内存，最后写入主存。
那么两个线程分别进行了一次自增操作后，inc只增加了1
把上面的代码改成以下任何一种都可以达到效果:
(1) 采用synchronized
public class Test { public int inc = 0; public synchronized void increase() { inc++; } public static void main(String[] args) { final Test test = new Test(); for(int i=0;i<10;i++){ new Thread(){ public void run() { for(int j=0;j<1000;j++) test.increase(); }; }.start(); } while(Thread.activeCount()>1) //保证前面的线程都执行完 Thread.yield(); System.out.println(test.inc); } }
(2) 采用Lock
public class Test { public int inc = 0; Lock lock = new ReentrantLock(); public void increase() { lock.lock(); try { inc++; } finally{ lock.unlock(); } } public static void main(String[] args) { final Test test = new Test(); for(int i=0;i<10;i++){ new Thread(){ public void run() { for(int j=0;j<1000;j++) test.increase(); }; }.start(); } while(Thread.activeCount()>1) //保证前面的线程都执行完 Thread.yield(); System.out.println(test.inc); } }
(3) 采用AtomicInteger
public class Test { public AtomicInteger inc = new AtomicInteger(); public void increase() { inc.getAndIncrement(); } public static void main(String[] args) { final Test test = new Test(); for(int i=0;i<10;i++){ new Thread(){ public void run() { for(int j=0;j<1000;j++) test.increase(); }; }.start(); } while(Thread.activeCount()>1) //保证前面的线程都执行完 Thread.yield(); System.out.println(test.inc); } }
在juc的atomic包下提供了一些原子操作类，即对基本数据类型的自增(加1操作), 自减(减1操作), 以及加法操作(加一个数), 减法操作(减一个数)进行了封装，保证这些操作是原子性操作。atomic是利用CAS来实现原子性操作的，CAS实际上是利用处理器提供的指令实现的，是一个原子性操作。
3 volatile保证有序性吗？
在前面提到volatile能禁止指令重排序，所以volatile能在一定程度上保证有序性
volatile关键字禁止指令重排序有两层意思：
1）当程序执行到volatile变量的读操作或者写操作时，在其前面的操作的更改肯定全部已经进行，且结果已经对后面的操作可见；在其后面的操作肯定还没有进行；
2）在进行指令优化时，不能把volatile变量前面的语句放在其后面执行，也不能把volatile变量后面的语句放到其前面执行。
来看下面的例子:
//x、y为非volatile变量 //flag为volatile变量 x = 2; //语句1 y = 0; //语句2 flag = true; //语句3 x = 4; //语句4 y = -1; //语句5
由于flag变量为volatile变量，那么在进行指令重排序的过程的时候，不会将语句3放到语句1，2前面，也不会将语句3放到语句4，5后面。
但是要注意语句1和语句2的顺序、语句4和语句5的顺序是不作任何保证的。
并且volatile关键字能保证，执行到语句3时，语句1和语句2必定是执行完毕了的，且语句1和语句2的执行结果对语句3、语句4、语句5是可见的。
回到我们最初的一个例子:
//线程1: context = loadContext(); //语句1 inited = true; //语句2 //线程2: while(!inited){ sleep() } doSomethingwithconfig(context);
前面举这个例子的时候，提到有可能语句2会在语句1之前执行，那么久可能导致context还没被初始化，而线程2中就使用未初始化的context去进行操作，导致程序出错。
这里如果用volatile关键字对inited变量进行修饰，就不会出现这种问题了，因为当执行到语句2时，必定能保证context已经初始化完毕。
4 volatile的原理和实现机制
下面这段话摘自《深入理解Java虚拟机》：
“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前缀指令实际上相当于一个内存屏障（也成内存栅栏），内存屏障会提供3个功能：
1）它确保指令重排序时不会把其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；即在执行到内存屏障这句指令时，在它前面的操作已经全部完成；
2）它会强制将对缓存的修改操作立即写入主存；
3）如果是写操作，它会导致其他CPU中对应的缓存行无效。
五 使用volatile关键字的场景
synchronized关键字是防止多个线程同时执行一段代码，那么就会很影响程序执行效率，而volatile关键字在某些情况下性能要优于synchronized，但是要注意volatile关键字是无法替代synchronized关键字的，因为volatile关键字无法保证操作的原子性。
下面列举几个Java中使用volatile的几个场景
1 状态标记量
volatile boolean flag = false; while(!flag){ doSomething(); } public void setFlag() { flag = true; }
2 单例模式double check实现
class Singleton{ private volatile static Singleton instance = null; private Singleton() { } public static Singleton getInstance() { if(instance==null) { synchronized (Singleton.class) { if(instance==null) instance = new Singleton(); } } return instance; } }
instance 采用 volatile 关键字修饰也是很有必要的， instance = new Singleton(); 这段代码其实是分为三步执行：
- 为 instance 分配内存空间
- 初始化 instance
- 将 instance 指向分配的内存地址
但是由于 JVM 具有指令重排的特性，执行顺序有可能变成 1->3->2。指令重排在单线程环境下不会出现问题，但是在多线程环境下会导致一个线程获得还没有初始化的实例。例如，线程 T1 执行了 1 和 3，此时 T2 调用 getInstance() 后发现 instance 不为空，因此返回 instance，但此时 instance 还未被初始化。
