volatile的作用是什么？

volatile是一個(gè)輕量級(jí)的synchronized，一般作用于 變量 ，在多處理器開(kāi)發(fā)的過(guò)程中保證了內(nèi)存的可見(jiàn)性。相比于synchronized關(guān)鍵字，volatile關(guān)鍵字的執(zhí)行成本更低，效率更高。

volatile的特性有哪些？

并發(fā)編程的三大特性為可見(jiàn)性、有序性和原子性。通常來(lái)講volatile可以保證可見(jiàn)性和有序性。

• 可見(jiàn)性：volatile可以保證不同線程對(duì)共享變量進(jìn)行操作時(shí)的可見(jiàn)性。即當(dāng)一個(gè)線程修改了共享變量時(shí)，另一個(gè)線程可以讀取到共享變量被修改后的值。
• 有序性：volatile會(huì)通過(guò)禁止指令重排序進(jìn)而保證有序性。
• 原子性：對(duì)于單個(gè)的volatile修飾的變量的讀寫是可以保證原子性的，但對(duì)于i++這種復(fù)合操作并不能保證原子性。這句話的意思基本上就是說(shuō)volatile不具備原子性了。

Java內(nèi)存的可見(jiàn)性問(wèn)題

Java的內(nèi)存模型如下圖所示。

這里的本地內(nèi)存并不是真實(shí)存在的，只是Java內(nèi)存模型的一個(gè)抽象概念，它包含了控制器、運(yùn)算器、緩存等。同時(shí)Java內(nèi)存模型規(guī)定，線程對(duì)共享變量的操作必須在自己的本地內(nèi)存中進(jìn)行，不能直接在主內(nèi)存中操作共享變量。這種內(nèi)存模型會(huì)出現(xiàn)什么問(wèn)題呢？，

1. 線程A獲取到共享變量X的值，此時(shí)本地內(nèi)存A中沒(méi)有X的值，所以加載主內(nèi)存中的X值并緩存到本地內(nèi)存A中，線程A修改X的值為1，并將X的值刷新到主內(nèi)存中，這時(shí)主內(nèi)存及本地內(nèi)存A中的X的值都為1。
2. 線程B需要獲取共享變量X的值，此時(shí)本地內(nèi)存B中沒(méi)有X的值，加載主內(nèi)存中的X值并緩存到本地內(nèi)存B中，此時(shí)X的值為1。線程B修改X的值為2，并刷新到主內(nèi)存中，此時(shí)主內(nèi)存及本地內(nèi)存B中的X值為2，本地內(nèi)存A中的X值為1。
3. 線程A再次獲取共享變量X的值，此時(shí)本地內(nèi)存中存在X的值，所以直接從本地內(nèi)存中A獲取到了X為1的值，但此時(shí)主內(nèi)存中X的值為2，到此出現(xiàn)了所謂內(nèi)存不可見(jiàn)的問(wèn)題。

該問(wèn)題Java內(nèi)存模型是通過(guò)synchronized關(guān)鍵字和volatile關(guān)鍵字就可以解決。

為什么代碼會(huì)重排序？

計(jì)算機(jī)在執(zhí)行程序的過(guò)程中，編譯器和處理器通常會(huì)對(duì)指令進(jìn)行重排序，這樣做的目的是為了提高性能。具體可以看下面這個(gè)例子。

int a = 1;
int b = 2;
int a1 = a;
int b1 = b;
int a2 = a + a;
int b2 = b + b;
......

像這段代碼，不斷地交替讀取a和b，會(huì)導(dǎo)致寄存器頻繁交替存儲(chǔ)a和b，使得代碼性能下降，可對(duì)其進(jìn)入如下重排序。

int a = 1;
int b = 2;
int a1 = a;
int a2 = a + a;
int b1 = b;
int b2 = b + b;
......

按照這樣的順序執(zhí)行代碼便可以避免交替讀取a和b，這就是重排序的意義。

指令重排序一般分為編譯器優(yōu)化重排、指令并行重排和內(nèi)存系統(tǒng)重排三種。

• 編譯器優(yōu)化重排：編譯器在不改變單線程程序語(yǔ)義的情況下，可以對(duì)語(yǔ)句的執(zhí)行順序進(jìn)行重新排序。
• 指令并行重排：現(xiàn)代處理器多采用指令級(jí)并行技術(shù)來(lái)將多條指令重疊執(zhí)行。對(duì)于不存在數(shù)據(jù)依賴的程序，處理器可以對(duì)機(jī)器指令的執(zhí)行順序進(jìn)行重新排列。
• 內(nèi)存系統(tǒng)重排：因?yàn)樘幚砥魇褂镁彺婧妥x/寫緩沖區(qū)，使得加載（load）和存儲(chǔ)（store）看上去像是在亂序執(zhí)行。

注：簡(jiǎn)單解釋下數(shù)據(jù)依賴性：如果兩個(gè)操作訪問(wèn)了同一個(gè)變量，并且這兩個(gè)操作有一個(gè)是寫操作，這兩個(gè)操作之間就會(huì)存在數(shù)據(jù)依賴性，例如：

a = 1;
b = a;

如果對(duì)這兩個(gè)操作的執(zhí)行順序進(jìn)行重排序的話，那么結(jié)果就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。

其實(shí)，這三種指令重排說(shuō)明了一個(gè)問(wèn)題，就是指令重排在單線程下可以提高代碼的性能，但在多線程下可以會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題。

重排序會(huì)引發(fā)什么問(wèn)題？

前面已經(jīng)說(shuō)過(guò)了，在單線程程序中，重排序并不會(huì)影響程序的運(yùn)行結(jié)果，而在多線程場(chǎng)景下就不一定了。可以看下面這個(gè)經(jīng)典的例子，該示例出自《Java并發(fā)編程的藝術(shù)》。

class ReorderExample{
    int a = 0;
    boolean flag = false;
    public void writer(){
        a = 1;              // 操作1
        flag = true;        // 操作2
    }
    public void reader(){
        if(flag){          // 操作3
            int i = a + a; // 操作4
        }
    }
}

假設(shè)線程1先執(zhí)行writer()方法，隨后線程2執(zhí)行reader()方法，最后程序一定會(huì)得到正確的結(jié)果嗎？

答案是不一定的，如果代碼按照下圖的執(zhí)行順序執(zhí)行代碼則會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。

操作1和操作2進(jìn)行了重排序，線程1先執(zhí)行flag=true，然后線程2執(zhí)行操作3和操作4，線程2執(zhí)行操作4時(shí)不能正確讀取到a的值，導(dǎo)致最終程序運(yùn)行結(jié)果出問(wèn)題。這也說(shuō)明了在多線程代碼中，重排序會(huì)破壞多線程程序的語(yǔ)義。

as-if-serial規(guī)則和happens-before規(guī)則的區(qū)別？

區(qū)別：

• as-if-serial定義：無(wú)論編譯器和處理器如何進(jìn)行重排序，單線程程序的執(zhí)行結(jié)果不會(huì)改變。
• happens-before定義：一個(gè)操作happens-before另一個(gè)操作，表示第一個(gè)的操作結(jié)果對(duì)第二個(gè)操作可見(jiàn)，并且第一個(gè)操作的執(zhí)行順序也在第二個(gè)操作之前。但這并不意味著Java虛擬機(jī)必須按照這個(gè)順序來(lái)執(zhí)行程序。如果重排序的后的執(zhí)行結(jié)果與按happens-before關(guān)系執(zhí)行的結(jié)果一致，Java虛擬機(jī)也會(huì)允許重排序的發(fā)生。
• happens-before關(guān)系保證了同步的多線程程序的執(zhí)行結(jié)果不被改變，as-if-serial保證了單線程內(nèi)程序的執(zhí)行結(jié)果不被改變。

相同點(diǎn)：happens-before和as-if-serial的作用都是在不改變程序執(zhí)行結(jié)果的前提下，提高程序執(zhí)行的并行度。

voliatile的實(shí)現(xiàn)原理？

前面已經(jīng)講述volatile具備可見(jiàn)性和有序性兩大特性，所以volatile的實(shí)現(xiàn)原理也是圍繞如何實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)性和有序性展開(kāi)的。

volatile實(shí)現(xiàn)內(nèi)存可見(jiàn)性原理

導(dǎo)致內(nèi)存不可見(jiàn)的主要原因就是Java內(nèi)存模型中的本地內(nèi)存和主內(nèi)存之間的值不一致所導(dǎo)致，例如上面所說(shuō)線程A訪問(wèn)自己本地內(nèi)存A的X值時(shí)，但此時(shí)主內(nèi)存的X值已經(jīng)被線程B所修改，所以線程A所訪問(wèn)到的值是一個(gè)臟數(shù)據(jù)。那如何解決這種問(wèn)題呢？

volatile可以保證內(nèi)存可見(jiàn)性的關(guān)鍵是volatile的讀/寫實(shí)現(xiàn)了緩存一致性，緩存一致性的主要內(nèi)容為：

• 每個(gè)處理器會(huì)通過(guò)嗅探總線上的數(shù)據(jù)來(lái)查看自己的數(shù)據(jù)是否過(guò)期，一旦處理器發(fā)現(xiàn)自己緩存對(duì)應(yīng)的內(nèi)存地址被修改，就會(huì)將當(dāng)前處理器的緩存設(shè)為無(wú)效狀態(tài)。此時(shí)，如果處理器需要獲取這個(gè)數(shù)據(jù)需重新從主內(nèi)存將其讀取到本地內(nèi)存。
• 當(dāng)處理器寫數(shù)據(jù)時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)操作的是共享變量，會(huì)通知其他處理器將該變量的緩存設(shè)為無(wú)效狀態(tài)。

那緩存一致性是如何實(shí)現(xiàn)的呢？可以發(fā)現(xiàn)通過(guò)volatile修飾的變量，生成匯編指令時(shí)會(huì)比普通的變量多出一個(gè)Lock指令，這個(gè)Lock指令就是volatile關(guān)鍵字可以保證內(nèi)存可見(jiàn)性的關(guān)鍵，它主要有兩個(gè)作用：

• 將當(dāng)前處理器緩存的數(shù)據(jù)刷新到主內(nèi)存。
• 刷新到主內(nèi)存時(shí)會(huì)使得其他處理器緩存的該內(nèi)存地址的數(shù)據(jù)無(wú)效。

volatile實(shí)現(xiàn)有序性原理

前面提到重排序可以提高代碼的執(zhí)行效率，但在多線程程序中可以導(dǎo)致程序的運(yùn)行結(jié)果不正確，那volatile是如何解決這一問(wèn)題的呢？

為了實(shí)現(xiàn)volatile的內(nèi)存語(yǔ)義，編譯器在生成字節(jié)碼時(shí)會(huì)通過(guò)插入內(nèi)存屏障來(lái)禁止指令重排序。

內(nèi)存屏障：內(nèi)存屏障是一種CPU指令，它的作用是對(duì)該指令前和指令后的一些操作產(chǎn)生一定的約束，保證一些操作按順序執(zhí)行。

Java虛擬機(jī)插入內(nèi)存屏障的策略

Java內(nèi)存模型把內(nèi)存屏障分為4類，如下表所示：

注：StoreLoad Barriers同時(shí)具備其他三個(gè)屏障的作用，它會(huì)使得該屏障之前的所有內(nèi)存訪問(wèn)指令完成之后，才會(huì)執(zhí)行該屏障之后的內(nèi)存訪問(wèn)命令。

Java內(nèi)存模型對(duì)編譯器指定的volatile重排序規(guī)則為：

• 當(dāng)?shù)谝粋€(gè)操作是volatile讀時(shí)，無(wú)論第二個(gè)操作是什么都不能進(jìn)行重排序。
• 當(dāng)?shù)诙€(gè)操作是volatile寫時(shí)，無(wú)論第一個(gè)操作是什么都不能進(jìn)行重排序。
• 當(dāng)?shù)谝粋€(gè)操作是volatile寫，第二個(gè)操作為volatile讀時(shí)，不能進(jìn)行重排序。

根據(jù)volatile重排序規(guī)則，Java內(nèi)存模型采取的是保守的屏障插入策略，volatile寫是在前面和后面分別插入內(nèi)存屏障，volatile讀是在后面插入兩個(gè)內(nèi)存屏障，具體如下：

• volatile讀：在每個(gè)volatile讀后面分別插入LoadLoad屏障及LoadStore屏障（根據(jù)volatile重排序規(guī)則第一條），如下圖所示

LoadLoad屏障的作用：禁止上面的所有普通讀操作和上面的volatile讀操作進(jìn)行重排序。

LoadStore屏障的作用：禁止下面的普通寫和上面的volatile讀進(jìn)行重排序。

• volatile寫：在每個(gè)volatile寫前面插入一個(gè)StoreStore屏障（為滿足volatile重排序規(guī)則第二條），在每個(gè)volatile寫后面插入一個(gè)StoreLoad屏障（為滿足voaltile重排序規(guī)則第三條），如下圖所示
  
  StoreStore屏障的作用：禁止上面的普通寫和下面的volatile寫重排序
  StoreLoad屏障的作用：防止上面的volatile寫與下面可能出現(xiàn)的volatile讀/寫重排序。

編譯器對(duì)內(nèi)存屏障插入策略的優(yōu)化

因?yàn)镴ava內(nèi)存模型所采用的屏障插入策略比較保守，所以在實(shí)際的執(zhí)行過(guò)程中，只要不改變volatile讀/寫的內(nèi)存語(yǔ)義，編譯器通常會(huì)省略一些不必要的內(nèi)存屏障。

代碼如下：

public class VolatileBarrierDemo{
    int a;
    volatile int b = 1;
    volatile int c = 2;
    
    public void test(){
        int i = b;  //volatile讀
        int j = c;  //volatile讀
        a = i + j;  //普通寫
        
    }
}

指令序列示意圖如下：

從上圖可以看出，通過(guò)指令優(yōu)化一共省略了兩個(gè)內(nèi)存屏障（虛線表示），省略第一個(gè)內(nèi)存屏障LoadStore的原因是最后的普通寫不可能越過(guò)第二個(gè)volatile讀，省略第二個(gè)內(nèi)存屏障LoadLoad的原因是下面沒(méi)有涉及到普通讀的操作。

volatile能使一個(gè)非原子操作變成一個(gè)原子操作嗎？

volatile只能保證可見(jiàn)性和有序性，但可以保證64位的long型和double型變量的原子性。

對(duì)于32位的虛擬機(jī)來(lái)說(shuō)，每次原子讀寫都是32位的，會(huì)將long和double型變量拆分成兩個(gè)32位的操作來(lái)執(zhí)行，這樣long和double型變量的讀寫就不能保證原子性了，而通過(guò)volatile修飾的long和double型變量則可以保證其原子性。

volatile、synchronized的區(qū)別？

• volatile主要是保證內(nèi)存的可見(jiàn)性，即變量在寄存器中的內(nèi)存是不確定的，需要從主存中讀取。synchronized主要是解決多個(gè)線程訪問(wèn)資源的同步性。
• volatile作用于變量，synchronized作用于代碼塊或者方法。
• volatile僅可以保證數(shù)據(jù)的可見(jiàn)性，不能保證數(shù)據(jù)的原子性。synchronized可以保證數(shù)據(jù)的可見(jiàn)性和原子性。
• volatile不會(huì)造成線程的阻塞，synchronized會(huì)造成線程的阻塞。