Volatile关键字内涵

内涵与表象

volatile主要有一下的功能：

保证变量的内存可见性

内存可见性：通俗来说就是，线程A对一个volatile变量的修改，对于其它线程来说是可见的，即线程每次获取volatile变量的值都是最新的
禁止volatile变量与普通变量重排序

定义:

Volatile是轻量级的synchronized。它在多处理器开发过程中保证的共享变量的可见性、有序性

使用

volatile的使用场景

但是使用volatile必须满足两个条件：

对变量的写操作不依赖当前值，如多线程下执行a++，是无法通过volatile保证结果准确性的

该变量没有包含在具有其它变量的不变式中(如下例子解释)

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;
    }
}

若是有两个线程同时分别执行了setLower(8)和setUpper(5) 然后均通过了判断, 则最后的范围从$[0, 10]$ 变为了 $[8, 5]$成为了一个无效的范围, 这样就出现了问题. 这种场景下就只能使用synchronized, 同一时间只允许getLower和getUpper方法中其中一个执行

状态标记量

public class ServerHandler {
    private volatile isopen;
    public void run() {
        if (isopen) {
           //促销逻辑
        } else {
          //正常逻辑
        }
    }
    public void setIsopen(boolean isopen) {
        this.isopen = isopen
    }
}

单例模式的double check

单例模式的一种实现方式，但很多人会忽略volatile关键字，因为没有该关键字，程序也可以很好的运行，只不过代码的稳定性总不是100%，说不定在未来的某个时刻，隐藏的bug就出来了。

public class Singleton{
    private volatile static Singleton instance;

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

在JMM中, 有主内存和本地内存, 每个线程都有一个本地内存, 且共享主内存中的数据, 普通变量和volatile变量的区别如下:

普通变量进行读操作的时候, 首先会读取本地内存中的数据, 若是不存在, 则去主内存中拷贝一份在本地内存, 写操作只会写入到本地内存. 这样其他变量就不会读取变量的最新值
voaltile遍历进行读操作的时候, JMM会将本地内存的数据设置为无效, 要求线程从主内存读取数据, 写操作时, JMM会将工作内存中的数据刷新到主内存中. 这样其他遍历就能够读取变量的最新值

可见性、有序性实现原理

可见性：

volatile修饰的变量进行写操作转换成汇编语言，会添加Lock前缀的指令

lock前缀的指令在多核处理器的情况下，会引发以下的两个事情：
1. 会将当前处理器缓存的数据，写回主内存
2. 同时写回内存的操作，会使得其他处理器缓存的该内存地址的数据无效
多处理器下，为了确保多处理器的缓存是一致的，会去实现缓存一致性协议，每个处理器通过嗅探在总线上传播的数据来检测自己缓存的数据是否过期。如果发现缓存的内存地址被修改，会将自身缓存的内存地址置为无效，然后下次操作该数据的时候，重新从主存中将数据重新读取缓存

有序性

禁止重排序

JVM通过内存屏障来实现限制处理器的重排序。

什么是内存屏障？硬件层面，内存屏障分两种：读屏障（Load Barrier）和写屏障（Store Barrier）。内存屏障有两个作用：

阻止屏障两侧的指令重排序；
强制把写缓冲区/高速缓存中的脏数据等写回主内存，或者让缓存中相应的数据失效。

编译器在生成字节码时，会在指令序列中插入内存屏障来禁止特定类型的处理器重排序。编译器选择了一个比较保守的JMM内存屏障插入策略，这样可以保证在任何处理器平台，任何程序中都能得到正确的volatile内存语义。这个策略是：

在每个volatile写操作前插入一个StoreStore屏障；
在每个volatile写操作后插入一个StoreLoad屏障；
在每个volatile读操作后插入一个LoadLoad屏障；
在每个volatile读操作后再插入一个LoadStore屏障。

大概示意图是这个样子：

再介绍一下volatile与普通变量的重排序规则:

如果第一个操作是volatile读，那无论第二个操作是什么，都不能重排序；
如果第二个操作是volatile写，那无论第一个操作是什么，都不能重排序；
如果第一个操作是volatile写，第二个操作是volatile读，那不能重排序。

References

Java并发编程的艺术
深入浅出Java多线程