volatile是一個(gè)特征修飾符，它的的作用是作為指令關(guān)鍵字茅诱，確保本條指令不會(huì)因編譯器優(yōu)化而省略逗物，且要求每次直接讀取最新值。

JMM規(guī)范介紹

Java內(nèi)存模型(Java Memory Model簡(jiǎn)稱JMM)是一種抽象的概念瑟俭，并不真實(shí)存在翎卓，它描述的是一組規(guī)則或規(guī)范，通過(guò)這組規(guī)范定義了程序中各個(gè)變量（包括實(shí)例字段摆寄，靜態(tài)字段和構(gòu)成數(shù)組對(duì)象的元素）的訪問(wèn)方式失暴。JVM運(yùn)行程序的實(shí)體是線程，而每個(gè)線程創(chuàng)建時(shí)JVM都會(huì)為其創(chuàng)建一個(gè)工作內(nèi)存(有些地方稱為椡钟空間)锐帜，用于存儲(chǔ)線程私有的數(shù)據(jù)，而Java內(nèi)存模型中規(guī)定所有變量都存儲(chǔ)在主內(nèi)存畜号，主內(nèi)存是共享內(nèi)存區(qū)域缴阎，所有線程都可以訪問(wèn)，但線程對(duì)變量的操作(讀取賦值等)必須在工作內(nèi)存中進(jìn)行简软，首先要將變量從主內(nèi)存拷貝的自己的工作內(nèi)存空間蛮拔，然后對(duì)變量進(jìn)行操作，操作完成后再將變量寫回主內(nèi)存痹升，不能直接操作主內(nèi)存中的變量建炫，工作內(nèi)存中存儲(chǔ)著主內(nèi)存中的變量副本拷貝。因此疼蛾，不同的線程間無(wú)法訪問(wèn)對(duì)方的工作內(nèi)存肛跌，線程間的通信(傳值)必須通過(guò)主內(nèi)存來(lái)完成。

線程，工作內(nèi)存衍慎，主內(nèi)存工作交互圖（基于JMM規(guī)范）：

image.png

JMM與JVM內(nèi)存區(qū)域的劃分是不同的概念層次转唉，更恰當(dāng)?shù)恼f(shuō)JMM描述的是一組規(guī)則，通過(guò)這組規(guī)則控制程序中各個(gè)變量在共享數(shù)據(jù)區(qū)域和私有數(shù)據(jù)區(qū)域的訪問(wèn)方式稳捆，JMM是圍繞原子性赠法，有序性、可見性展開乔夯。JMM與Java內(nèi)存區(qū)域唯一相似點(diǎn)砖织，都存在共享數(shù)據(jù)區(qū)域和私有數(shù)據(jù)區(qū)域，在JMM中主內(nèi)存屬于共享數(shù)據(jù)區(qū)域末荐，從某個(gè)程度上講應(yīng)該包括了堆和方法區(qū)侧纯，而工作內(nèi)存數(shù)據(jù)線程私有數(shù)據(jù)區(qū)域，從某個(gè)程度上講則應(yīng)該包括程序計(jì)數(shù)器鞠评、虛擬機(jī)棧以及本地方法棧茂蚓。

通過(guò)上面對(duì)JMM的介紹，我們知道了各個(gè)線程會(huì)將共享變量從主內(nèi)存中拷貝到工作內(nèi)存剃幌，然后執(zhí)行引擎會(huì)基于工作內(nèi)存中的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作處理。線程在工作內(nèi)存進(jìn)行操作后何時(shí)會(huì)寫到主內(nèi)存中晾浴？這個(gè)時(shí)機(jī)對(duì)普通變量是沒(méi)有規(guī)定的负乡，而針對(duì)volatile修飾的變量給java虛擬機(jī)特殊的約定，線程對(duì)volatile變量的修改會(huì)立刻被其他線程所感知脊凰，即不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)臟讀的現(xiàn)象抖棘，從而保證數(shù)據(jù)的“可見性”。

volatile 的特性

• 保證了不同線程對(duì)這個(gè)變量進(jìn)行操作時(shí)的可見性狸涌，即一個(gè)線程修改了某個(gè)變量的值切省，這新值對(duì)其他線程來(lái)說(shuō)是立即可見的。（實(shí)現(xiàn)可見性）
• 禁止進(jìn)行指令重排序帕胆。（實(shí)現(xiàn)有序性）
• volatile 只能保證對(duì)單次讀/寫的原子性朝捆。i++ 這種操作不能保證原子性。

volatile 的實(shí)現(xiàn)原理

可見性

為了提高處理速度懒豹，處理器不直接和內(nèi)存進(jìn)行通信芙盘，而是先將系統(tǒng)內(nèi)存的數(shù)據(jù)讀到內(nèi)部緩存（L1，L2或其他）后再進(jìn)行操作脸秽，但操作完不知道何時(shí)會(huì)寫到內(nèi)存儒老。如果對(duì)聲明了 volatile的變量進(jìn)行寫操作，JVM就會(huì)向處理器發(fā)送一條Lock前綴的指令记餐，將這個(gè)變量所在緩存行的數(shù)據(jù)寫回到系統(tǒng)內(nèi)存驮樊。但是，就算寫回到內(nèi)存，如果其他處理器緩存的值還是舊的囚衔，再執(zhí)行計(jì)算操作就會(huì)有問(wèn)題挖腰。所以，在多處理器下佳魔，為了保證各個(gè)處理器的緩存是一致的曙聂，就會(huì)實(shí)現(xiàn)緩存一致性協(xié)議（MESI），每個(gè)處理器通過(guò)嗅探在總線上傳播的數(shù)據(jù)來(lái)檢查自己緩存的值是不是過(guò)期了鞠鲜，當(dāng)處理器發(fā)現(xiàn)自己緩存行對(duì)應(yīng)的內(nèi)存地址被修改宁脊，就會(huì)將當(dāng)前處理器的緩存行設(shè)置成無(wú)效狀態(tài)，當(dāng)處理器對(duì)這個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改操作的時(shí)候贤姆，會(huì)重新從系統(tǒng)內(nèi)存中把數(shù)據(jù)讀到處理器緩存里榆苞。

因此，經(jīng)過(guò)分析我們可以得出如下結(jié)論：

1. Lock前綴的指令會(huì)引起處理器緩存寫回內(nèi)存霞捡；
2. 一個(gè)處理器的緩存回寫到內(nèi)存會(huì)導(dǎo)致其他處理器的緩存失效坐漏；
3. 當(dāng)處理器發(fā)現(xiàn)本地緩存失效后，就會(huì)從內(nèi)存中重讀該變量數(shù)據(jù)碧信，即可以獲取當(dāng)前最新值赊琳。

這樣針對(duì)volatile變量通過(guò)這樣的機(jī)制就使得每個(gè)線程都能獲得該變量的最新值。

線程操作數(shù)據(jù)流程圖

image.png

有序性

Java內(nèi)存模型具備一些先天的“有序性”砰碴，即不需要通過(guò)任何手段就能夠得到保證的有序性躏筏，這個(gè)通常也稱為happens-before 原則。如果兩個(gè)操作的執(zhí)行次序無(wú)法從happens-before原則推導(dǎo)出來(lái)呈枉，那么它們就不能保證它們的有序性趁尼，虛擬機(jī)可以隨意地對(duì)它們進(jìn)行重排序。

image.png

指令重排序：JVM能根據(jù)處理器特性（CPU多級(jí)緩存系統(tǒng)猖辫、多核處理器等）適當(dāng)?shù)膶?duì)機(jī)器指令進(jìn)行重排序酥泞，使機(jī)器指令能更符合CPU的執(zhí)行特性，最大限度的發(fā)揮機(jī)器性能啃憎。

JVM中提供了四類內(nèi)存屏障來(lái)禁止指令重排優(yōu)化

內(nèi)存屏障凡人，又稱內(nèi)存柵欄，是一個(gè)CPU指令叹阔，它的作用有兩個(gè)挠轴，一是保證特定操作的執(zhí)行順序，二是保證某些變量的內(nèi)存可見性（利用該特性實(shí)現(xiàn)volatile的內(nèi)存可見性）耳幢。由于編譯器和處理器都能執(zhí)行指令重排優(yōu)化岸晦。如果在指令間插入一條Memory Barrier則會(huì)告訴編譯器和CPU欧啤，不管什么指令都不能和這條Memory Barrier指令重排序，也就是說(shuō)通過(guò)插入內(nèi)存屏障禁止在內(nèi)存屏障前后的指令執(zhí)行重排序優(yōu)化启上。Memory Barrier的另外一個(gè)作用是強(qiáng)制刷出各種CPU的緩存數(shù)據(jù)邢隧，因此任何CPU上的線程都能讀取到這些數(shù)據(jù)的最新版本「栽冢總之倒慧，volatile變量正是通過(guò)內(nèi)存屏障實(shí)現(xiàn)其在內(nèi)存中的語(yǔ)義，即可見性和禁止重排優(yōu)化包券。

JMM針對(duì)編譯器制定的volatile重排序規(guī)則表

volatile寫插入內(nèi)存屏障后生成的指令序列示意圖

image.png

volatile讀插入內(nèi)存屏障后生成的指令序列示意圖

image.png

原子性

CPU緩存一致性協(xié)議（MESI）為了保證高效緩存的數(shù)據(jù)一致性纫谅，它將讀到的每個(gè)緩存行（cache line 一般為64Bytes）使用4種狀態(tài)進(jìn)行標(biāo)記（使用額外的兩位(bit)表示)，分別是修改（modify）溅固、獨(dú)占（exclusive）付秕、共享（shared）、失效（invalid）侍郭。

image.png