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簡書占小狼
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前言

看著上一篇的更新時間，發(fā)現(xiàn)已經(jīng)挺長時間沒有提筆了桦山，只能以忙為自己開脫了本慕，如果太閑都不好意思說自己是程序猿了，正好今天有人問了我一個問題：

當一個共享變量被volatile修飾時唱矛，它會保證修改的值立即被更新到主存“， 這里的”保證“ 是如何做到的井辜？和 JIT的具體編譯后的CPU指令相關吧绎谦？

最一開始碰到volatile，我的內(nèi)心是拒絕的粥脚，因為當時做的項目中沒有用到窃肠，也不清楚可以在什么場景下使用，所以希望這篇文章可以幫助大家理解volatile關鍵字刷允。

volatile特性

內(nèi)存可見性：通俗來說就是冤留，線程A對一個volatile變量的修改碧囊，對于其它線程來說是可見的，即線程每次獲取volatile變量的值都是最新的纤怒。

volatile的使用場景

通過關鍵字sychronize可以防止多個線程進入同一段代碼糯而，在某些特定場景中，volatile相當于一個輕量級的sychronize泊窘，因為不會引起線程的上下文切換熄驼，但是使用volatile必須滿足兩個條件：
1、對變量的寫操作不依賴當前值州既，如多線程下執(zhí)行a++谜洽，是無法通過volatile保證結(jié)果準確性的；
2吴叶、該變量沒有包含在具有其它變量的不變式中，這句話有點拗口序臂，看代碼比較直觀蚌卤。

public class NumberRange {
    private volatile int lower = 0;
     private volatile int upper = 10;

    public int getLower() { return lower; }
    public int getUpper() { return upper; }

    public void setLower(int value) { 
        if (value > upper) 
            throw new IllegalArgumentException(...);
        lower = value;
    }

    public void setUpper(int value) { 
        if (value < lower) 
            throw new IllegalArgumentException(...);
        upper = value;
    }
}

上述代碼中，上下界初始化分別為0和10奥秆，假設線程A和B在某一時刻同時執(zhí)行了setLower(8)和setUpper(5)逊彭，且都通過了不變式的檢查，設置了一個無效范圍（8, 5）构订，所以在這種場景下侮叮，需要通過sychronize保證方法setLower和setUpper在每一時刻只有一個線程能夠執(zhí)行。

下面是我們在項目中經(jīng)常會用到volatile關鍵字的兩個場景：

1悼瘾、狀態(tài)標記量
在高并發(fā)的場景中囊榜，通過一個boolean類型的變量isopen，控制代碼是否走促銷邏輯亥宿，該如何實現(xiàn)卸勺？

public class ServerHandler {
    private volatile isopen;
    public void run() {
        if (isopen) {
           //促銷邏輯
        } else {
          //正常邏輯
        }
    }
    public void setIsopen(boolean isopen) {
        this.isopen = isopen
    }
}

場景細節(jié)無需過分糾結(jié)，這里只是舉個例子說明volatile的使用方法烫扼，用戶的請求線程執(zhí)行run方法曙求，如果需要開啟促銷活動，可以通過后臺設置映企，具體實現(xiàn)可以發(fā)送一個請求悟狱，調(diào)用setIsopen方法并設置isopen為true，由于isopen是volatile修飾的堰氓，所以一經(jīng)修改挤渐，其他線程都可以拿到isopen的最新值，用戶請求就可以執(zhí)行促銷邏輯了豆赏。

2挣菲、double check
單例模式的一種實現(xiàn)方式富稻，但很多人會忽略volatile關鍵字，因為沒有該關鍵字白胀，程序也可以很好的運行椭赋，只不過代碼的穩(wěn)定性總不是100%，說不定在未來的某個時刻或杠，隱藏的bug就出來了哪怔。

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

不過在眾多單例模式的實現(xiàn)中，我比較推薦懶加載的優(yōu)雅寫法Initialization on Demand Holder（IODH）向抢。

public class Singleton {  
    static class SingletonHolder {  
        static Singleton instance = new Singleton();  
    }  
      
    public static Singleton getInstance(){  
        return SingletonHolder.instance;  
    }  
}  

當然认境，如果不需要懶加載的話，直接初始化的效果更好挟鸠。

如何保證內(nèi)存可見性叉信？

在java虛擬機的內(nèi)存模型中，有主內(nèi)存和工作內(nèi)存的概念艘希，每個線程對應一個工作內(nèi)存硼身，并共享主內(nèi)存的數(shù)據(jù)，下面看看操作普通變量和volatile變量有什么不同：

1覆享、對于普通變量：讀操作會優(yōu)先讀取工作內(nèi)存的數(shù)據(jù)佳遂，如果工作內(nèi)存中不存在，則從主內(nèi)存中拷貝一份數(shù)據(jù)到工作內(nèi)存中撒顿；寫操作只會修改工作內(nèi)存的副本數(shù)據(jù)丑罪，這種情況下，其它線程就無法讀取變量的最新值凤壁。

2吩屹、對于volatile變量，讀操作時JMM會把工作內(nèi)存中對應的值設為無效客扎，要求線程從主內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)祟峦；寫操作時JMM會把工作內(nèi)存中對應的數(shù)據(jù)刷新到主內(nèi)存中，這種情況下徙鱼，其它線程就可以讀取變量的最新值宅楞。

volatile變量的內(nèi)存可見性是基于內(nèi)存屏障(Memory Barrier)實現(xiàn)的，什么是內(nèi)存屏障袱吆？內(nèi)存屏障厌衙，又稱內(nèi)存柵欄，是一個CPU指令绞绒。在程序運行時婶希，為了提高執(zhí)行性能，編譯器和處理器會對指令進行重排序蓬衡，JMM為了保證在不同的編譯器和CPU上有相同的結(jié)果喻杈，通過插入特定類型的內(nèi)存屏障來禁止特定類型的編譯器重排序和處理器重排序彤枢，插入一條內(nèi)存屏障會告訴編譯器和CPU：不管什么指令都不能和這條Memory Barrier指令重排序。

這段文字顯得有點蒼白無力筒饰，不如來段簡明的代碼：

class Singleton {
    private volatile static Singleton instance;
    private int a;
    private int b;
    private int b;
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            syschronized(Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    a = 1;  // 1
                     b = 2;  // 2
                    instance = new Singleton();  // 3
                    c = a + b;  // 4
                }
            }
        }
        return instance;
    } 
}

1缴啡、如果變量instance沒有volatile修飾，語句1瓷们、2业栅、3可以隨意的進行重排序執(zhí)行，即指令執(zhí)行過程可能是3214或1324谬晕。
2碘裕、如果是volatile修飾的變量instance，會在語句3的前后各插入一個內(nèi)存屏障攒钳。

通過觀察volatile變量和普通變量所生成的匯編代碼可以發(fā)現(xiàn)帮孔，操作volatile變量會多出一個lock前綴指令：

Java代碼：
instance = new Singleton();

匯編代碼：
0x01a3de1d: movb $0x0,0x1104800(%esi);
0x01a3de24: **lock** addl $0x0,(%esp);

這個lock前綴指令相當于上述的內(nèi)存屏障，提供了以下保證：
1不撑、將當前CPU緩存行的數(shù)據(jù)寫回到主內(nèi)存你弦；
2、這個寫回內(nèi)存的操作會導致在其它CPU里緩存了該內(nèi)存地址的數(shù)據(jù)無效燎孟。

CPU為了提高處理性能，并不直接和內(nèi)存進行通信尸昧，而是將內(nèi)存的數(shù)據(jù)讀取到內(nèi)部緩存（L1揩页，L2）再進行操作，但操作完并不能確定何時寫回到內(nèi)存烹俗，如果對volatile變量進行寫操作爆侣，當CPU執(zhí)行到Lock前綴指令時，會將這個變量所在緩存行的數(shù)據(jù)寫回到內(nèi)存幢妄，不過還是存在一個問題兔仰，就算內(nèi)存的數(shù)據(jù)是最新的，其它CPU緩存的還是舊值蕉鸳，所以為了保證各個CPU的緩存一致性乎赴，每個CPU通過嗅探在總線上傳播的數(shù)據(jù)來檢查自己緩存的數(shù)據(jù)有效性，當發(fā)現(xiàn)自己緩存行對應的內(nèi)存地址的數(shù)據(jù)被修改潮尝，就會將該緩存行設置成無效狀態(tài)榕吼，當CPU讀取該變量時，發(fā)現(xiàn)所在的緩存行被設置為無效勉失，就會重新從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)到緩存中羹蚣。

END。
我是占小狼乱凿。
在魔都艱苦奮斗顽素，白天是上班族咽弦，晚上是知識服務工作者。
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