Volatile关键字之我见

从阿里开发手册看到的知识点疑问：

volatile 解决多线程内存不可见问题。对于一写多读，是可以解决变量同步问题，但是如果多写，同样无法解决线程安全问题。

volatile jdk1.5开始出现，在并发场景下，优化双重检查的手段。

在分析volatile之前，我们先看下多线程的三个特性：

原子性，有序性和可见性。

1.原子性是指一个操作是不可中断的，要么全部执行成功要么全部执行失败。即多个线程一起执行的时候，一个操作一旦开始，就不会被其他线程所干扰。

int a = 10; //语句1 a++; //语句2 int b=a; //语句3 a = a+1; //语句4

上面的4行代码中，只有语句1才是原子操作。

只有简单的读取、赋值（而且必须是将数字赋值给某个变量，变量之间的相互赋值不是原子操作）才是原子操作。

2.有序性是指程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。

一般的java代码在编译之后会变成字节码，但是实际上在执行的时候CPU可能会打乱代码的执行顺序。这时候Jvm的Java内存模型针对这一点做了优化。

Java内存模型具备一些先天的“有序性”，即不需要通过任何手段就能够得到保证的有序性，这个通常也称为 happens-before 原则。

3.可见性是指当一个线程修改了共享变量后，其他线程能够立即得知这个修改。

可见性与Java的内存模型有关，模型采用缓存与主存的方式对变量进行操作，也就是说，每个线程都有自己的缓存空间，对变量的操作都是在缓存中进行的，之后再将修改后的值返回到主存中。这就带来了问题，有可能一个线程在将共享变量修改后，还没有来的及将缓存中的变量返回给主存中，另外一个线程就对共享变量进行修改，那么这个线程拿到的值是主存中未被修改的值，这就是可见性的问题。

volatile什么是什么呢？

被volatile修饰之后，那么就具备了两层语义：

1.保证了不同线程对这个变量进行操作时的可见性，即一个线程修改了某个变量的值，这新值对其他线程来说是立即可见的。

原理：变量经过volatile修饰后，对此变量进行写操作时，汇编指令中会有一个LOCK前缀指令，这个不需要过多了解，但是加了这个指令后，会引发两件事情：

将当前处理器缓存行的数据写回到系统内存

这个写回内存的操作会使得在其他处理器缓存了该内存地址无效

2.禁止进行指令重排序。

原理：volatile写是在前面和后面分别插入内存屏障，而volatile读操作是在后面插入两个内存屏障

回到最初那句话多写情况无法保证线程问题：

如果一个变量被volatile修饰了，那么肯定可以保证每次读取这个变量值的时候得到的值是最新的，但是一旦需要对变量进行自增这样的非原子操作，就不会保证这个变量的原子性了。

再附加其他知识点：

处理器如何实现原子操作

处理器自动保证基本内存操作的原子性

使用总线锁保证原子性

使用缓存锁保证原子性

具体不展开。

那我们Java如何实现原子操作

可以通过锁和循环CAS的方式来实现原子操作。

1.JVM中的CAS操作正是利用了处理器提供的CMPXCHG指令实现的。自旋CAS实现的基本思路就是循环进行CAS操作直到成功为止。

在java并发包中有一些并发框架也使用了自旋CAS的方式来实现原子操作，比如LinkedTransferQueue类的Xfer方法。CAS虽然很高效的解决原子操作，但是CAS仍然存在三大问题。ABA问题，循环时间长开销大和只能保证一个共享变量的原子操作。

1）ABA问题。因为CAS需要在操作值的时候检查下值有没有发生变化，如果没有发生变化则更新，但是如果一个值原来是A，变成了B，又变成了A，那么使用CAS进行检查时会发现它的值没有发生变化，但是实际上却变化了。ABA问题的解决思路就是使用版本号。在变量前面追加上版本号，每次变量更新的时候把版本号加一，那么A－B－A 就会变成1A-2B－3A。

从Java1.5开始JDK的atomic包里提供了一个类AtomicStampedReference来解决ABA问题。这个类的compareAndSet方法作用是首先检查当前引用是否等于预期引用，并且当前标志是否等于预期标志，如果全部相等，则以原子方式将该引用和该标志的值设置为给定的更新值。

public boolean compareAndSet (V expectedReference,//预期引用 V newReference,//更新后的引用 int expectedStamp, //预期标志 int newStamp) //更新后的标志

2)循环时间长开销大。自旋CAS如果长时间不成功，会给CPU带来非常大的执行开销。如果JVM能支持处理器提供的pause指令那么效率会有一定的提升，pause指令有两个作用，第一它可以延迟流水线执行指令（de-pipeline）,使CPU不会消耗过多的执行资源，延迟的时间取决于具体实现的版本，在一些处理器上延迟时间是零。第二它可以避免在退出循环的时候因内存顺序冲突（memory order violation）而引起CPU流水线被清空（CPU pipeline flush），从而提高CPU的执行效率。

3)只能保证一个共享变量的原子操作。当对一个共享变量执行操作时，我们可以使用循环CAS的方式来保证原子操作，但是对多个共享变量操作时，循环CAS就无法保证操作的原子性，这个时候就可以用锁，或者有一个取巧的办法，就是把多个共享变量合并成一个共享变量来操作。比如有两个共享变量i＝2,j=a，合并一下ij=2a，然后用CAS来操作ij。从Java1.5开始JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性，你可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作。

2.使用锁机制实现原子操作

锁机制保证了只有获得锁的线程能够操作锁定的内存区域。

JVM内部实现了很多种锁机制，有偏向锁，轻量级锁和互斥锁，有意思的是除了偏向锁，JVM实现锁的方式都用到的循环CAS，当一个线程想进入同步块的时候使用循环CAS的方式来获取锁，当它退出同步块的时候使用循环CAS释放锁。