并发编程基础之volatile

volatile

1、volatile

保证多线程数据的可见性

2、机器硬件CPU与JMM

(1) CPU 缓存模型

程序的局部执行原理

(2) CPU缓存一致性问题

每个CPU修改内存数据的步骤

• 1、从内存中把数据读到cache中，并放到寄存器中进行操作
• 2、在cache中更新数据
• 3、把更新的结果刷新到内存中

一个CPU读数据，进行操作，另一个CPU写数据，就会产生数据不一致问题。

解决方案

• 1、总线加锁

地址总线 数据总线 控制总线，对总线进行加锁时，其他CPU无法进行使用，会造成效率低。

• 2、MESI缓存一致性协议

a、读操作:不做任何操作，把cache中的数据读到寄存器

b、写操作：发出信号，通知其他CPU，将该变量的CacheLine置为无效状态，其他CPU要访问这个变量的时候，只能从内存中获取。

Cache line 是cpu的一种实现机制，CPU的cache中会增加很多的Cache line。

(3)、java内存模型

• 主内存中的数据所有线程都可以进行访问(共享数据)
• 每个线程都有自己的工作空间(本地内存)(私有数据)
• 工作空间数据：局部变量、内存的副本
• 线程不能直接修改内存中的数据，只能读到工作空间来修改，修改完成后刷新到内存

3、Volatile关键子的语义分析

volatile作用

让其他线程能够马上感知到某一线程对某个变量的修改

当一个线程对volatile修饰的变量进行修改时，会通过JMM控制向其他线程发出信号，映射到硬件中就是使Cache line置为无效

保证可见性

对共享变量的修改，其他线程马上能感知到，不能保证原子性。

多个原子性操作合在一起，就不存在原子性

public class Increa {

    static volatile int i = 0;

    public static void incre() {
        i++;
    }

    public static void main(String[] args) {
        for (int j = 0; j < 10; j++) {
            new Thread(() -> {
                for (int k = 0; k < 5; k++) {
                    incre();
                }
            }).start();
        }
        System.out.println(i);
    }
}
//这里输出不是50，证明volatile不能保证原子性，i++操作为非原子操作

保证有序性

禁止重排序

重排序（编译阶段，指令优化阶段）

输入程序的代码顺序并不是实际执行的顺序

++重排序后对单线程没有影响，对多线程有影响++。

对于volatile修饰的变量:

• volatile之前的代码不能调整到它的后面；
• volatile之后的代码不能调整到它的前面（as-if-seria）；
• volatile修饰的代码位置不变化；

volatile的原理和实现机制

使用hsdis汇编工具 反编译

java->class->JVM->ASM文件（汇编文件）

volatile int a=0;
代码映射到汇编语言
Lock:a

总结：java中volatile具有的功能：

• 1.可见性。
• 2.防止JIT或者java解释器对指令重排序。
• 3.内存屏障的功能，java解释器遇到volatile变量，会在volatile变量赋值之后，加一个lock addl $0x0,(%rsp)具有内存屏障功能的指令，防止内存重排序。

4、volatile的使用场景

状态标志（开关模式）

public class ShutDowsnDemmo extends Thread{
    private volatile boolean started=false;

    @Override
    public void run() {
        while(started){
            dowork();
        }
    }
    public void shutdown(){
        started=false;
    }
}

双重检查锁定（double-checked-locking）

public class Singleton {
    private volatile static Singleton instance;
    public static Singleton getInstance(){
        if(instance==null){
            synchronized (Singleton.class){
                instance=new Singleton();
            }
        }
        return instance;
    }
}

需要利用顺序性

5、volatile与synchronized的区别

（1）使用上的区别

Volatile只能修饰变量，synchronized只能修饰方法和语句块

（2）对原子性的保证

synchronized可以保证原子性，Volatile不能保证原子性

（3）对可见性的保证

都可以保证可见性，但实现原理不同
Volatile对变量加了lock，synchronized使用monitorEnter和monitorexit monitor JVM

（4）对有序性的保证

Volatile能保证有序，synchronized可以保证有序性，但是代价（重量级）并发退化到串行

（5）其他

synchronized引起阻塞
Volatile不会引起阻塞