一次面試經(jīng)歷：
面試官：請(qǐng)講一下 volatile湿酸。
我：volatile 是 java 虛擬機(jī)提供的最輕量級(jí)的同步機(jī)制辜御，當(dāng)變量定義為 volatile 后伍派，可以保證此變量對(duì)多線程的可見(jiàn)性江耀。多個(gè)線程可以讀到內(nèi)存中最新的值。
面試管：volatile 底層具體怎么實(shí)現(xiàn)的诉植？ 怎么保證的可見(jiàn)性祥国？
我：。晾腔。舌稀。。
面試官：volatile 怎么保證多線程可以讀到最新的值灼擂？
我：壁查。。剔应。睡腿。
面試結(jié)果可想而知了，面試官隨便問(wèn)了問(wèn)就送我出門(mén)了领斥。
所以打算好好研究一下嫉到。
先來(lái)介紹幾個(gè)知識(shí)點(diǎn)：
Java 內(nèi)存模型
主內(nèi)存與工作內(nèi)存
Java 內(nèi)存模型的主要目標(biāo)是定義程序中各個(gè)變量的訪問(wèn)規(guī)則，即在虛擬機(jī)中將變量?jī)?chǔ)存到內(nèi)存和從內(nèi)存中取出變量這樣的底層細(xì)節(jié)月洛。注意何恶，這里的變量是指實(shí)例字段，靜態(tài)字段和構(gòu)成數(shù)組對(duì)象的元素嚼黔，不包括局部變量與方法參數(shù)细层，因?yàn)楹笳呤蔷€程私有的，不會(huì)被共享唬涧，就不存在競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題疫赎。
Java 內(nèi)存模型有主內(nèi)存和工作內(nèi)存，工作內(nèi)存保存了被該線程使用到的變量的主內(nèi)存副本拷貝碎节，線程對(duì)變量的所有操作都必須在工作內(nèi)存中進(jìn)行捧搞，而不能直接讀寫(xiě)主內(nèi)存中的變量，不同線程之間無(wú)法直接訪問(wèn)對(duì)方工作內(nèi)存的變量狮荔，線程間變量值的傳遞均需要通過(guò)主內(nèi)存來(lái)完成胎撇。
注意：
當(dāng)一個(gè)變量被volatile修飾后，JMM 會(huì)把該線程對(duì)應(yīng)的工作內(nèi)存中的共享變量值刷新到主內(nèi)存殖氏。表示著線程工作內(nèi)存無(wú)效晚树，當(dāng)一個(gè)線程修改共享變量后他會(huì)立即被更新到主內(nèi)存中，當(dāng)其他線程讀取共享變量時(shí)雅采，它會(huì)直接從主內(nèi)存中讀取爵憎。
指令重排序
在執(zhí)行程序時(shí)為了提高性能慨亲，編譯器和處理器通常會(huì)對(duì)指令做重排序：
1.編譯器重排序。編譯器在不改變單線程程序語(yǔ)義的前提下宝鼓，可以重新安排語(yǔ)句的執(zhí)行順序刑棵；
2.處理器重排序。如果不存在數(shù)據(jù)依賴性愚铡，處理器可以改變語(yǔ)句對(duì)應(yīng)機(jī)器指令的執(zhí)行順序铐望；
指令重排序?qū)尉€程沒(méi)有什么影響，他不會(huì)影響程序的運(yùn)行結(jié)果茂附，但是會(huì)影響多線程的正確性，既然指令重排序會(huì)影響到多線程執(zhí)行的正確性督弓，那么我們就需要禁止重排序营曼。那么JVM是如何禁止重排序的呢？這個(gè)問(wèn)題稍后回答愚隧，我們先看另一個(gè)原則happens-before蒂阱，happen-before原則保證了程序的“有序性”，它規(guī)定如果兩個(gè)操作的執(zhí)行順序無(wú)法從happens-before原則中推到出來(lái)狂塘，那么他們就不能保證有序性录煤，可以隨意進(jìn)行重排序。其定義如下：
1.同一個(gè)線程中的荞胡，前面的操作 happen-before 后續(xù)的操作妈踊。（即單線程內(nèi)按代碼順序執(zhí)行。但是泪漂，在不影響在單線程環(huán)境執(zhí)行結(jié)果的前提下廊营，編譯器和處理器可以進(jìn)行重排序，這是合法的萝勤。換句話說(shuō)露筒，這一是規(guī)則無(wú)法保證編譯重排和指令重排）。
2.監(jiān)視器上的解鎖操作 happen-before 其后續(xù)的加鎖操作敌卓。（Synchronized 規(guī)則）慎式。
3.對(duì)volatile變量的寫(xiě)操作 happen-before 后續(xù)的讀操作。（volatile 規(guī)則）趟径。
4.線程的start() 方法 happen-before 該線程所有的后續(xù)操作瘪吏。（線程啟動(dòng)規(guī)則）。
5.線程所有的操作 happen-before 其他線程在該線程上調(diào)用 join 返回成功后的操作舵抹。
6.如果 a happen-before b肪虎，b happen-before c，則a happen-before c（傳遞性）惧蛹。
我們著重看第三點(diǎn)volatile規(guī)則：對(duì)volatile變量的寫(xiě)操作 happen-before 后續(xù)的讀操作扇救。為了實(shí)現(xiàn)volatile內(nèi)存語(yǔ)義刑枝，JMM會(huì)重排序，
注意
觀察加入volatile關(guān)鍵字和沒(méi)有加入volatile關(guān)鍵字時(shí)所生成的匯編代碼發(fā)現(xiàn)迅腔，加入volatile關(guān)鍵字時(shí)装畅，會(huì)多出一個(gè)lock前綴指令。lock前綴指令其實(shí)就相當(dāng)于一個(gè)內(nèi)存屏障沧烈。內(nèi)存屏障是一組處理指令掠兄，用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)存操作的順序限制。volatile的底層就是通過(guò)內(nèi)存屏障來(lái)實(shí)現(xiàn)的锌雀。
內(nèi)存屏障
為了保證內(nèi)存可見(jiàn)性蚂夕，Java編譯器在生成指令序列的適當(dāng)位置會(huì)插入內(nèi)存屏障指令來(lái)禁止特定類(lèi)型的處理器重排序。JMM把內(nèi)存屏障指令分為4類(lèi)腋逆，如下表：
volatile內(nèi)存語(yǔ)義實(shí)現(xiàn)
為了實(shí)現(xiàn) volatile 的內(nèi)存語(yǔ)義婿牍，編譯器在生成字節(jié)碼時(shí)，會(huì)在指令序列中插入內(nèi)存屏障來(lái)禁止特定類(lèi)型的處理器重排序惩歉。下面是基于保守策略的 JMM 內(nèi)存屏障插入策略：
- 在每個(gè) volatile 寫(xiě)操作的前面插入一個(gè) StoreStore 屏障（禁止前面的寫(xiě)與volatile寫(xiě)重排序）等脂。
- 在每個(gè) volatile 寫(xiě)操作的后面插入一個(gè) StoreLoad 屏障（禁止volatile寫(xiě)與后面可能有的讀和寫(xiě)重排序）。
- 在每個(gè) volatile 讀操作的后面插入一個(gè) LoadLoad 屏障（禁止volatile讀與后面的讀操作重排序）撑蚌。
- 在每個(gè) volatile 讀操作的后面插入一個(gè) LoadStore 屏障（禁止volatile讀與后面的寫(xiě)操作重排序）上遥。
其中重點(diǎn)說(shuō)下StoreLaod屏障，它是確闭浚可見(jiàn)性的關(guān)鍵粉楚，因?yàn)樗鼤?huì)將屏障之前的寫(xiě)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)全部刷新到主內(nèi)存中。上述內(nèi)存屏障插入策略非常保守第煮，但它可以保證在任意處理平臺(tái)解幼，任意的程序中都能得到正確的volatile語(yǔ)義。下面是保守策略（為什么說(shuō)保守呢包警，因?yàn)橛行┰趯?shí)際的場(chǎng)景是可省略的）下撵摆，volatile 寫(xiě)操作 插入內(nèi)存屏障后生成的指令序列示意圖：
其中StoreStore屏障可以保證在volatile寫(xiě)之前，其前面的所有普通寫(xiě)操作對(duì)任意處理器可見(jiàn)（把它刷新到主內(nèi)存）害晦。另外volatile寫(xiě)后面有StoreLoad屏障特铝，此屏障的作用是避免volatile寫(xiě)與后面可能有的讀或?qū)懖僮鬟M(jìn)行重排序。因?yàn)榫幾g器常常無(wú)法準(zhǔn)確判斷在一個(gè)volatile寫(xiě)的后面是否需要插入一個(gè)StoreLoad屏障（比如壹瘟，一個(gè)volatile寫(xiě)之后方法立即return）為了保證能正確實(shí)現(xiàn)volatile的內(nèi)存語(yǔ)義鲫剿，JMM采取了保守策略：在每個(gè)volatile寫(xiě)的后面插入一個(gè)StoreLoad屏障。因?yàn)関olatile寫(xiě)-讀內(nèi)存語(yǔ)義的常見(jiàn)模式是：一個(gè)寫(xiě)線程寫(xiě)volatile變量稻轨，多個(gè)度線程讀同一個(gè)volatile變量灵莲。當(dāng)讀線程的數(shù)量大大超過(guò)寫(xiě)線程時(shí)，選擇在volatile寫(xiě)之后插入StoreLoad屏障將帶來(lái)可觀的執(zhí)行效率的提升殴俱。從這里也可看出JMM在實(shí)現(xiàn)上的一個(gè)特點(diǎn)：首先確保正確性政冻，然后再去追求效率（其實(shí)我們工作中編碼也是一樣）枚抵。
下面是在保守策略下，volatile讀插入內(nèi)存屏障后生產(chǎn)的指令序列示意圖：
上述volatile寫(xiě)和volatile讀的內(nèi)存屏障插入策略非常保守明场。在實(shí)際執(zhí)行時(shí)汽摹，只要不改變volatile寫(xiě)-讀的內(nèi)存語(yǔ)義，編譯器可以根據(jù)具體情況忽略不必要的屏障苦锨。在JMM基礎(chǔ)中就有提到過(guò)各個(gè)處理器對(duì)各個(gè)屏障的支持度逼泣，其中x86處理器僅會(huì)對(duì)寫(xiě)-讀操作做重排序。
原子性
原子性：即一個(gè)操作或者多個(gè)操作 要么全部執(zhí)行并且執(zhí)行的過(guò)程不會(huì)被任何因素打斷舟舒，要么就都不執(zhí)行拉庶。
一個(gè)很經(jīng)典的例子就是銀行賬戶轉(zhuǎn)賬問(wèn)題：
比如從賬戶A向賬戶B轉(zhuǎn)1000元，那么必然包括2個(gè)操作：從賬戶A減去1000元秃励，往賬戶B加上1000元砍的。
試想一下，如果這2個(gè)操作不具備原子性莺治，會(huì)造成什么樣的后果。假如從賬戶A減去1000元之后帚稠，操作突然中止谣旁。然后又從B取出了500元，取出500元之后滋早，再執(zhí)行 往賬戶B加上1000元 的操作榄审。這樣就會(huì)導(dǎo)致賬戶A雖然減去了1000元，但是賬戶B沒(méi)有收到這個(gè)轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)的1000元杆麸。
所以這2個(gè)操作必須要具備原子性才能保證不出現(xiàn)一些意外的問(wèn)題搁进。
同樣地反映到并發(fā)編程中會(huì)出現(xiàn)什么結(jié)果呢？
舉個(gè)最簡(jiǎn)單的例子昔头，大家想一下假如為一個(gè)32位的變量賦值過(guò)程不具備原子性的話饼问，會(huì)發(fā)生什么后果？
i = 9;
假若一個(gè)線程執(zhí)行到這個(gè)語(yǔ)句時(shí)揭斧，我暫且假設(shè)為一個(gè)32位的變量賦值包括兩個(gè)過(guò)程：為低16位賦值莱革，為高16位賦值。
那么就可能發(fā)生一種情況：當(dāng)將低16位數(shù)值寫(xiě)入之后讹开，突然被中斷盅视，而此時(shí)又有一個(gè)線程去讀取i的值，那么讀取到的就是錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)旦万。
對(duì)于被 volatile 修飾的變量闹击，對(duì)任意(包括64位long類(lèi)型和double類(lèi)型)單個(gè)volatile變量的讀/寫(xiě)具有原子性，記著是對(duì)單個(gè)volatile變量的讀或?qū)懖啪哂性有猿伤遥硗馊魏螐?fù)合操作都不能保證原子性赏半，如a++贺归，a = a+1, a = b。特別注意a = b這類(lèi)除破，它實(shí)際上包含2個(gè)操作牧氮，它先要去讀取b的值，再將b的值寫(xiě)入工作內(nèi)存瑰枫，雖然讀取b的值以及將b的值寫(xiě)入工作內(nèi)存這2個(gè)操作都是原子性操作踱葛，但是合起來(lái)就不是原子性操作了。
想要理解透volatile特性有一個(gè)很好的方法光坝，就是把對(duì)volatile變量的單個(gè)讀/寫(xiě)尸诽，看成是使用同一個(gè)鎖對(duì)這些單個(gè)讀/寫(xiě)操作做了同步。
總結(jié)
至此應(yīng)該對(duì) volatile 有比較好的了解了盯另，至少面試應(yīng)該問(wèn)題不大了性含，其實(shí)就是上面幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，可見(jiàn)性鸳惯，重排序商蕴，內(nèi)存屏障，原子性芝发。把這些底層都研究透了绪商，面試官根本難不倒你。
參考資料：
深入理解 Java 虛擬機(jī)
Java 并發(fā)編程的藝術(shù)
Java 多線程編程核心技術(shù)
https://www.cnblogs.com/yuanfy008/p/9335168.html
https://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3920373.html
https://www.cnblogs.com/chenssy/p/6379280.html
