volatile原理这是我参与11月更文挑战的第7天，活动详情查看：2021最后一次更文挑战 volatile是Java

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volatile是Java虚拟机提供的最轻量级的同步机制

直观上的作用
- 并发可见性
- 防止指令重排序
实现原理
- 可见性保证
  - 为什么并发存在不可见？
    - 因为普遍的CPU三级缓存结构，java定义了JMM来屏蔽底层硬件和操作系统交互的细节。
    - JMM中Java线程工作的时候分为主内存和工作内存。线程使用变量的时候都会将主内存的数据拷贝到工作内存中，操作完成后写回主内存。这就存在并发的安全问题。
    - 比如线程循环一个变量，这个变量就会一直读取工作内存的值。外部其他线程修改该值，当前线程是无法感知的。
  - 怎么实现可见的？
    - 简单说：加了volatile的变量，在写操作的时候会将数据强制刷新到内存中，并让其他线程的工作内存失效。
    - 具体实现：
      - \1. 加了volatile的变量在编译到汇编层的时候，会在volatile变量的操作指令前加上一个lock前缀。这个前缀是个汇编指令。加了该指令当该变量发生变化的时候，就会立即被写回到主存中。
      - \2. 在变量写回到主存中，数据都将是通过总线拷贝的。借助于总线嗅探的技术，当一个线程对变量修改后，加了volatile的数据会强制被刷到主内存中，这刷回的过程需要走总线，而该操作就可以被其他的工作线程感知到，然后工作内存就会将该内存置为失效。再使用的时候，就需要从主内存重新获取。
      - volatile的可见性原理其实相当于本身就是一套缓存一致性协议机制，底层来支持这套一致性协议的实现有很多，不同处理器可能不同。比较典型的就是Intel的MESI缓存一致性协议。当然在老的处理器中，还有锁总线的方式！
      - 最重要的就是这lock指令：他会让该变量的主存和缓存强制同步，也相当于一个内存屏障来保证下面的有序性。
    - 参考：www.cnblogs.com/badboys/p/1…
  - 和MESI的关系
    - 这个工作内存和主内存的工作方式其实很像 MESI。其实部分底层实现也是借助于MESI的，但是有些CPU架构中是没有MESI的，那么volatile就得通过其他的方式实现了。这也是为什么有MESI了，还需要volatile的原因之一。
    - MESI协议可以是保证cache一致性，Java为什么还需要volatile？
      - MESI只是保证了缓存一致性，重排序无法保证。
      - MESI只是intel的部分处理器有，但是volatile实现可见性是不分平台的，是抽象层的一致性。所以还是需要volatile。
      - CPU不仅仅只是三级缓存，在L1和CPU之间还可能有store buffer/invalid queue这些存储，这些可见性的保证，还需要volatile结合其他的机制来实现。
  - 总线风暴
    - 当有大量的volatile 和cas 进行数据修改的时候就会产大量嗅探消息。这样就大量占据的总线的带宽。所以不要大量使用Volatile！
- 有序性保证
  - 为什么会乱序
    - 编译器和CPU都会对指令进行优化。不过他们都会准守as-if-serial原则（就是执行的语义不变，就像在单线程下执行一样）
    - 一旦乱序，在并发的情况下会发生比如：还如单例模式里面，因为乱序，可能单例对象还未初始化就被外部引用。
    - 所以保证有序的主要目的就是：重要的变量在没有写完之前，不能让别人读！
  - 怎么保证不乱序
    - 简单说：加了volatile的变量，在指令生成字节码的时候，会在对应的指令序列中加入内存屏障指令。
    - 在写volatile的前加上：StoreStore屏障。（禁止前后的写操作和其重排序）后加上StoreLoad。（禁止后面的读写和该写重排序）
    - 在读volatile变量的后面加上：LoadLoad（禁止后面的读和其重排序），LoadStore屏障（禁止后面的写和其重排序）。
  - happens-before
    - JDK5之后，提出了这个概念，定义了一系列的原则。在这些原则场景下，对一些编译器优化导致的指令重排序操作进行禁止。即A happens-before B，那么A的操作必须发生在B之前。
注意事项：
- volatile不能乱加！
  - volatile缓存的可见是针对整个缓存行cacheLine的可见。如果volatile加的比如是一个数组，或者是一个cacheLine中会被多个线程频繁修改的变量。那么就会导致频繁的刷新缓存，就会导致效率很慢。（这就是伪共享）
- 伪共享
  - CPU每次缓存的不是一个变量的值，而是一个cacheLine。一个cacheLine一般是 64 个字节。
  - 这个cacheLine中可能变量a和b，分别被不同的线程操作，如果a被其中一个线程修改了，那么会让其他线程的缓存全部失效。其他线程读取b的时候就需要重新刷新缓存。
  - 避免伪共享：
    - 字节填充：一个cacheLine64字节，那么就在对应变量后面补充对应字节，比如long类型8字节，就在后面再申明7个long类型变量。
    - @ sun.misc.Contended 注解，配置后，可以自动帮我们进行缓存填充。
  - 参考：www.cnblogs.com/tong-yuan/p…
总结
- volatile保证了可见性和有序性
  - 可见性：JMM设定及缓存一致性协议（JMM的8个操作知识实现可见性的借助的操作指令，可见性保证和他们本质无关）
  - 有序性：内存屏障
- 缺点：总线风暴，伪共享效率降低。