加州大學圣地亞哥分校（美國）校訓：“愿知識之光普照大地⌒⒚埃”

夏季柬姚，收獲的季節(jié)，可看著A股大盤一直趴著庄涡，又是徒勞了半年量承，不免稍有傷神。罷了罷了穴店，聊聊可愛的技術吧撕捍，這東西才是養(yǎng)家糊口的根本。這年頭泣洞，任何技能必須具有強大的變現(xiàn)能力忧风，如果NO，請換道球凰∈ㄍ龋可能很多朋友們不認同，俗話說：三百六十行行行出狀元呕诉。OK蚤霞，比如送外賣的小哥，送出劉翔的速度义钉，送出吉尼斯紀錄昧绣，也是肉眼可見的天花板吧。哈哈捶闸，上述純扯淡夜畴，正事開干。

這篇文章我不想簡單地告訴你volatile的語義作用删壮，JMM如何保證可見性等贪绘，咱們其實可以系統(tǒng)聊聊，前世今生還是很有必要的央碟。那就從硬件系統(tǒng)架構(gòu)/多核CPU主存可見性/JVM的底層實現(xiàn)講講税灌，來龍去脈了解清楚了，那才叫真的理解，而不是簡單地死記硬背菱涤，這才算是科學地學習苞也。

一 硬件系統(tǒng)架構(gòu)演變

我們知道，運行在計算機上的程序粘秆，指令是由CPU執(zhí)行的如迟，數(shù)據(jù)是存儲在主存中的，CPU從主存中讀取數(shù)據(jù)執(zhí)行指令攻走，再回寫到主存中殷勘。CPU執(zhí)行指令的速度是非常快的昔搂，但讀取寫入主存相對較慢的玲销，有人拖后腿了，怎么辦呢摘符？大家有沒有聽說過CPU高速緩存贤斜，就是來解決拖后腿問題的。
1/CPU高速緩存
CPU高速緩存為單個CPU所有议慰，只有運行在這個CPU上的線程才能訪問。緩存系統(tǒng)是以緩存行為單位存儲的奴曙，一般是64個字節(jié)别凹。按級分為L1 cache / L2 cache / 多核心共享L3 cache。執(zhí)行流程如下：
a/首先CPU使用自己的寄存器洽糟，然后使用速度更快的L1炉菲，其中L1D緩存數(shù)據(jù)，L1I緩存指令坤溃；
b/L1緩存和次快的L2做數(shù)據(jù)同步拍霜，L2緩存和L3做數(shù)據(jù)同步；
c/L3為多個CPU共享的薪介，與主內(nèi)存做數(shù)據(jù)同步祠饺；
2/緩存寫入主存
a/直寫(write-through)
直寫是透過本級緩存，直接把數(shù)據(jù)寫到下一級緩存中汁政，或直接寫到主存中道偷，同時更新緩存中的數(shù)據(jù)，緩存行永遠和它對應的內(nèi)存內(nèi)容相匹配记劈。
b/回寫(write-back)
緩存并不會立即把寫操作傳遞到下一級勺鸦，而是僅修改本級緩存中的數(shù)據(jù)，并且把對應的緩存數(shù)據(jù)標記為臟數(shù)據(jù)目木，臟數(shù)據(jù)會觸發(fā)回寫换途，即把里面的內(nèi)容寫到對應的內(nèi)存或下一級緩存中，回寫后，臟數(shù)據(jù)就變干凈了军拟。
3/CPU緩存一致性方案
a/通過在總線上加LOCK#鎖的方式
這是一種獨占式的方式剃执，在同一時刻只能運行一個CPU，效率較為低下吻谋；
b/通過緩存一致性協(xié)議忠蝗，保證多核CPU對共享數(shù)據(jù)的可見性，主要有：
窺探技術：
所有內(nèi)存?zhèn)鬏敹及l(fā)生在一條共享的總線上漓拾，對所有CPU可見阁最；每個CPU不停地窺探總線上發(fā)生的數(shù)據(jù)交換，并追蹤其他緩存在做什么骇两。緩存是CPU獨享的速种，內(nèi)存是CPU共享的，緩存訪問內(nèi)存是需要仲裁的低千，即在同一個指令周期中配阵，只有一個緩存可以讀寫內(nèi)存。
MESI協(xié)議：是緩存行四種狀態(tài)的縮寫示血，如下
已修改緩存行(Modified)棋傍，該緩存行已經(jīng)被所屬的CPU修改了，其他CPU持有的該緩存行的拷貝也會變成失效狀態(tài)难审；
獨占緩存行(Exclusive)瘫拣，和主存內(nèi)容保持一致的拷貝，其他CPU持有的這份內(nèi)容的拷貝變成失效狀態(tài)告喊；
共享緩存行(Shared)麸拄，和主存內(nèi)容保持一致的拷貝，其他CPU也可持有拷貝黔姜，但只能讀取拢切，不允許寫入；
無效緩存行(Invalid)秆吵，CPU中的緩存行無效了淮椰；
總結(jié)來看，只有某個CPU獨占了這個緩存行纳寂，才能夠?qū)懭胧蛋刺幱贛或E的狀態(tài)；當CPU想讀取該緩存行烈疚，該緩存行必須是共享狀態(tài)黔牵。

二 指令重排序

我們知道，CPU在執(zhí)行指令的時候為了提升性能爷肝，會有一定的指令重排猾浦。執(zhí)行結(jié)果與預期結(jié)果一致陆错，則重排一定是基于規(guī)則，volatile能夠提供一定的有序性金赦，禁止一定的指令重排音瓷。這里介紹下不同級別的重排序，如下：
1/編譯器優(yōu)化的重排序
編譯器在不改變單線程程序的語義前提下夹抗，可重新安排語句的執(zhí)行順序绳慎；
2/指令級并行的重排序
如果不存在數(shù)據(jù)依賴性，處理器可以改變指令的執(zhí)行順序漠烧，采用的是指令級并行技術杏愤，將多條指令重疊執(zhí)行；
3/內(nèi)存系統(tǒng)的重排序
由于處理器使用緩存和讀寫緩沖區(qū)已脓，這使得加載和存儲操作看上去是亂序執(zhí)行珊楼。
小結(jié)：就Java程序而言，從java代碼到CPU執(zhí)行序列度液，也要經(jīng)過上述的重排序厕宗。分析來看，重排序會造成內(nèi)存可見性問題堕担。要想解決問題已慢，需要了解重排序遵循的準則，才能找到對應的方案霹购。
這里介紹下指令重排中單線程和多線程遵循的準則：
1/as-if-serial
只針對于單線程運行的程序佑惠，不管怎么怎么重排序，都不會改變執(zhí)行結(jié)果厕鹃。就是這么硬氣兢仰，編譯器/運行時和處理器重排序必須遵循乍丈。這里通俗理解下：主要是對指令之間數(shù)據(jù)具有依賴性禁止重排序剂碴。滿足as-if-serial基準，單線程程序看起來像是按順序執(zhí)行的轻专，避免了內(nèi)存可見性問題忆矛。
2/happen-before
happen-before原則是Java內(nèi)存模型對指令重排的約束，如A happen-before B请垛，則A 操作的結(jié)果將對B可見催训，但實際中A 的執(zhí)行順序未必在B之前，只要執(zhí)行結(jié)果與預期一致即可宗收。JMM基于happen-before 原則保證多線程的內(nèi)存可見性漫拭，具體準則如下：
a/程序順序規(guī)則：一個線程中的每個操作，happen-before于該線程中任意后續(xù)的操作混稽；
b/監(jiān)視器鎖規(guī)則：對一個監(jiān)視器的解鎖采驻，happen-before于隨后對這個監(jiān)視器的加鎖审胚；
c/傳遞性：if A happen-before B，B happen-before C礼旅，則A happen-before C膳叨；
d/線程的start方法happen-before于線程的后續(xù)所有操作；
e/線程上的所有操作happen-before于其他線程在該線程上join返回成功后的操作痘系；
f/volatile變量規(guī)則：對一個volatile域的寫菲嘴，happen-before于任意后續(xù)對這個域的讀。

三 volatile原理

1/基本語義
volatile用來修飾變量或?qū)ο筇洌袃蓪诱Z義：
a/保證可見性龄坪，但不保證原子性;
b/提供一定程度的有序性(happen-before)，禁止指令重排序奴璃。
2/原理剖析
jvm是通過內(nèi)存屏障來實現(xiàn)volatile的悉默，內(nèi)存屏障有四種類型，如下：
a/LoadLoad：指令形如Load1苟穆；LoadLoad抄课；Load2，其語義是Load1的裝載要先于Load2的裝載雳旅；
b/LoadStore：指令形如Load1跟磨；LoadStore燕锥；Store2甘邀，其語義是Load1的裝載要先于Store2存儲指令刷新到內(nèi)存百框；
c/StoreLoad：指令形如Store1骇钦；StoreLoad旷档；Load2捏检，其語義是Store1存儲指令刷新到內(nèi)存要先于Load2的裝載惠况；
d/StoreStore：指令形如Store1瑟幕；StoreStore迎变；Store2充尉，其語義是Store1存儲指令刷新到內(nèi)存要先于Store2的存儲；
舉例衣形，以兩個操作讀寫為例看下插入的內(nèi)存屏障驼侠，如下：

demo世界不孤單，請閱：

/**
 * @author 阿倫故事
 * @Description：測試volatile的作用
 * 對比去掉全局變量num的volatile的修飾看下測試結(jié)果
 * */
@Slf4j
public class VolatileTest {
    //聲明volatile全局變量
    private volatile int num = 0;

    public static void main(String[] args) {
        VolatileTest volatileTest = new VolatileTest();
        //創(chuàng)建一個用于volatile寫的線程并啟動
        new Thread(()->{
            log.info("Thread name："+Thread.currentThread().getName()+"--sleep");
            try {
                Thread.sleep(500);
                volatileTest.num = 5;
                Thread.sleep(500);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            log.info("Thread name："+Thread.currentThread().getName()+"--dead");
        }).start();
        //創(chuàng)建一個用于volatile讀的線程并啟動
        new Thread(()->{
            log.info("Thread name："+Thread.currentThread().getName()+"--num="+volatileTest.num);
            try {
                Thread.sleep(500);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            log.info("Thread name："+Thread.currentThread().getName()+"--dead--num="+volatileTest.num);
        }).start();
    }
}

特此聲明：
分享文章有完整的知識架構(gòu)圖谆吴，將從以下幾個方面系統(tǒng)展開：
1 基礎（Linux/Spring boot/并發(fā)）
2 性能調(diào)優(yōu)（jvm/tomcat/mysql）
3 高并發(fā)分布式
4 微服務體系
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