java多线程（并发）夯实之路-volatile深入浅出

volatile

volatile（易变关键字）可以用来修饰成员变量和静态成员变量，线程只能从主存中获取它的值，线程操作volatile变量都是直接操作主存

与synchronzied区别：synchronzied需要创建Monitor，属于重量级的操作，volatile更轻量（推荐）

可见性

一个线程对主存的数据进行了修改，另一个线程不可见

如下，t线程并不会停下来，因为main线程修改了run值，并同步至主存，但t线程是从自己工作内存中的高速缓存中读取run值，缓存中的run值没变，仍是true（t线程要频繁地访问run的值，JIT编译器会将run值存入高速缓存中，提高效率）

解决方法：给这个变量加volatile修饰，或者用synchronzied?????????

可见性VS原子性

可见性是修改变量对所有线程可见，线程能得到正确的值，不能保证原子性

原子性是保证一整块操作是不可分割的，否则上下文切换发生线程安全问题 volatile适用一个线程修改变量，多个线程读取变量的情况

synchronzied语句块可以保证代码块的原子性，也可以保证代码块内变量的可见性，缺点是属于重量级操作，性能相对更低

有序性

JVM会在不影响正确性的前提下，调整语句的执行顺序

这一特性被称为指令重排，多线程下指令重排会影响正确性

指令重排原理：每个指令分为五个个阶段，不改变结果的前提下，指令的各个阶段可以通过重排序和组合来实现指令级并行（分阶段，分工是提升效率的关键）

就像

现代CPU支持多级指令流水线，可以同时执行取指令-指令译码-执行指令-内存访问-数据写回的处理器就可以称为五级指令流水线，CPU可以在一个时钟周期内，同时运行五条指令的不同阶段，IPC=1，流水线技术并没有缩短单条指令的执行时间，但变相地提高了指令的吞吐率

指令重排产生的问题：

如以下代码，可能发生指令重排如下右图所示，r值可能为0（很难出现）

解决方案：给ready变量加上volatile

操作volatile变量之前的代码不会重排序

volatile原理

volatile的底层实现是内存屏障，Memory Barrier（Memory Fence）对volatile变量的写指令后会加入写屏障

对volatile变量的读指令前会加入读屏障

保证可见性：

写屏障（sfence）保证该屏障前对共享变量的写入，都同步到主存中

读屏障（lfence）保证该屏障后对共享变量的读取，都从主存中加载

即保证了volatile变量的写操作及之前的写操作，volatile变量读操作及之后的读操作都是在主存中进行的，是准确的。

保证有序性：

写屏障保证指令重排时，写屏障之前的代码不会排在写屏障之后读屏障保证指令重排时，读屏障之后的代码不会排在读屏障之前即指令重排时，写屏障之前和读屏障之后的代码不会跨越屏障

但是并不能解决指令交错（上下文切换），只能保证一个线程中相关变量读写准确，以及一个线程中相关代码不被重排序

double-checked locking问题

以著名的double-checked locking单例模式为例

以上代码的实现特点是：

·懒惰实例化

·首次使用getInstance（）才用synchronized加锁，之后不用加锁

·但很关键的一点：第一个if使用INSTANCE变量，在同步块之外

在多线程环境下，代码是有问题的

也许jvm会优化为：INSTANCE = new SIngleton（）先赋值再调用SIngleton构造方法。

而在调用SIngleton构造方法前，INSTANCE不为空，可能另一个线程已经去使用INSTANCE对象

synchronzied代码中仍然有指令重排，但如果变量完全被synchronzied保护，就不会有原子性，可见性以及有序性问题

解决方案：给INSTANCE变量加上volatile

happens-before

happens-before规定对共享变量的写操作对其它线程的读操作，它是有序性和可见性的一套规则总结。

抛开以下happens-before规则，JVM并不能保证一个线程对共享变量的写，对于其它线程的读可见：

线程解锁之前对变量的写，对之后其它线程加锁对变量的读是可见的

线程对volatile变量的写，对之后其它线程对该变量的读可见

线程start前对变量的写，对之后线程开始对变量的读可见

线程结束前对变量的写，对其它线程得知它结束后的读可见（如调用t1.join（）或 t1.isAlive（））

线程被打断前对变量的写，对其它线程得知它被打断后的读可见（通过t1.interrupt（）或 t1.isInterruputed（））

对变量默认值（0，flase，null）的写，对其它线程对该变量的读可见

具有传递性（如果x hb-> y 并且y hb-> z 那么x hb-> z，配合volatile防止指令重排，有下面的例子）

静态成员变量初始化操作在类加载阶段实现的，类加载阶段由JVM保证代码的线程安全性

可见性问题由JVM缓存优化引起，有序性问题由JVM指令重排优化引起