上篇文章我們講了synchronized的用法和實(shí)現(xiàn)原理，我們總愛說(shuō)synchronized是重量級(jí)鎖，volatile是輕量級(jí)鎖。為什么volatile是輕量級(jí)鎖，體現(xiàn)在哪些方面？以及volatile的作用和實(shí)現(xiàn)原理是怎樣的？本篇帶你一塊學(xué)習(xí)一下。

1. volatile是什么？

volatile是Java提供的一種輕量級(jí)的同步機(jī)制。與synchronized修飾方法、代碼塊不同，volatile只用來(lái)修飾變量。并且與synchronized、ReentrantLock等重量級(jí)鎖不同的是，volatile更輕量級(jí)，因?yàn)樗粫?huì)引起線程上下文的切換和調(diào)度。

2. volatile的作用

說(shuō)volatile作用之前，先說(shuō)一下并發(fā)編程的三大特性：原子性、可見性和有序性。

• 原子性

即一個(gè)或者多個(gè)操作作為一個(gè)整體，要么全部執(zhí)行，要么都不執(zhí)行，并且操作在執(zhí)行過(guò)程中不會(huì)被線程調(diào)度機(jī)制打斷；而且這種操作一旦開始，就一直運(yùn)行到結(jié)束，中間不會(huì)有任何上下文切換。

• 可見性

可見性是指當(dāng)多個(gè)線程訪問(wèn)同一個(gè)變量時(shí)，一個(gè)線程修改了這個(gè)變量的值，其他線程能夠立即看得到修改的值。

• 有序性

為了提高程序的執(zhí)行效率，編譯器會(huì)對(duì)編譯后的指令進(jìn)行重排序，即代碼的編寫順序不一定就是代碼的執(zhí)行順序。

并發(fā)編程中只有同時(shí)滿足這三大特性，才能保證程序正確的執(zhí)行。而volatile的只保證了可見性和有序性，不保證原子性。

volatile的作用只有兩個(gè)：

• 保證內(nèi)存的可見性
• 禁止JVM內(nèi)存重排序（保證有序性）

在并發(fā)多線程情況下，為什么會(huì)有可見性問(wèn)題？如果不做控制，為什么一個(gè)線程修改了共享變量的值，其他線程不能立即看到？這就需要聊到JMM（Java內(nèi)存模型，Java Memory Model）。

3. JMM是什么

JMM（Java內(nèi)存模型，Java Memory Model）定義程序訪問(wèn)變量的規(guī)范，為了屏蔽不同操作系統(tǒng)之間的差異。

由于Java共享變量是存儲(chǔ)在主內(nèi)存中，而Java線程無(wú)法直接訪問(wèn)主內(nèi)存中數(shù)據(jù)，只能把主內(nèi)存中的數(shù)據(jù)讀到本地內(nèi)存（相當(dāng)于拷貝一份副本），修改完本地內(nèi)存的數(shù)據(jù)，再寫回主內(nèi)存。而此時(shí)另一個(gè)線程也把主內(nèi)存的數(shù)據(jù)拷貝到自己私有的本地內(nèi)存中，雖然線程1已經(jīng)修改了主內(nèi)存從數(shù)據(jù)，線程2卻無(wú)法感知到，所以就出現(xiàn)了內(nèi)存可見性問(wèn)題。

4. 可見性問(wèn)題

JMM定義的這套模型，會(huì)有可見性問(wèn)題。當(dāng)線程1修改了本地內(nèi)存的數(shù)據(jù)，并刷會(huì)主內(nèi)存中，其他線程中本地內(nèi)存的數(shù)據(jù)并沒有變化。也就是一個(gè)線程修改了共享變量的值，其他線程無(wú)法立即感知到。

像上圖的流程，兩個(gè)線程都把count=0的變量拷貝到自己私有的本地內(nèi)存中，線程1把count的值修改為1，并寫回主內(nèi)存，而線程2本地內(nèi)存的count值還是0。

那么volatile是怎么解決可見性問(wèn)題呢？

volatile主要通過(guò)匯編lock前綴指令，它會(huì)鎖定當(dāng)前內(nèi)存區(qū)域的緩存（緩存行），并且立即將當(dāng)前緩存行數(shù)據(jù)寫入主內(nèi)存（耗時(shí)非常短），回寫主內(nèi)存的時(shí)候會(huì)通過(guò)MESI協(xié)議使其他線程緩存了該變量的地址失效，從而導(dǎo)致其他線程需要重新去主內(nèi)存中重新讀取數(shù)據(jù)到其工作線程中。

什么是MESI協(xié)議？

MESI協(xié)議（Modified Exclusive Shared Or Invalid）是各處理器訪問(wèn)緩存時(shí)都遵循一致性協(xié)議。核心思想是：

當(dāng)CPU寫數(shù)據(jù)時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)操作的變量是共享變量，即在其他CPU中也存在該變量的副本，會(huì)發(fā)出信號(hào)通知其他CPU將該變量的緩存行置為無(wú)效狀態(tài)，因此當(dāng)其他CPU需要讀取這個(gè)變量時(shí)，發(fā)現(xiàn)自己緩存中緩存該變量的緩存行是無(wú)效的，那么它就會(huì)從內(nèi)存重新讀取。

MESI分別代表緩存行數(shù)據(jù)所處的四種狀態(tài)，通過(guò)對(duì)這四種狀態(tài)的切換，來(lái)達(dá)到對(duì)緩存數(shù)據(jù)進(jìn)行管理的目的。

而MESI協(xié)議是通過(guò)總線嗅探技術(shù)實(shí)現(xiàn)的：

總線嗅探是通過(guò)CPU偵聽總線上發(fā)生的數(shù)據(jù)交換操作，當(dāng)總線上發(fā)生了數(shù)據(jù)操作，那么總線就會(huì)廣播對(duì)應(yīng)的通知，CPU收到通知后，再根據(jù)本地的情況進(jìn)行響應(yīng)。

5. 有序性問(wèn)題

虛擬機(jī)在進(jìn)行代碼編譯時(shí)，對(duì)改變順序后不會(huì)對(duì)最終結(jié)果造成影響的代碼，虛擬機(jī)不一定會(huì)按我們寫的代碼順序運(yùn)行，有可能進(jìn)行重排序。實(shí)際上雖然重排后不會(huì)對(duì)變量值有影響，但會(huì)造成線程安全問(wèn)題。

重排序又可以分為三種：

• 編譯器優(yōu)化的重排序。編譯器在不改變單線程程序語(yǔ)義的前提下，可以重新安排語(yǔ)句的執(zhí)行順序
• 指令級(jí)并行的重排序。現(xiàn)代CPU采用了指令級(jí)并行技術(shù)來(lái)將多條指令重疊執(zhí)行。對(duì)于不存在數(shù)據(jù)依賴的指令，CPU可以改變語(yǔ)句對(duì)應(yīng)機(jī)器指令的執(zhí)行順序
• 內(nèi)存系統(tǒng)的重排序。由于CPU使用三級(jí)緩存結(jié)構(gòu)，這使得數(shù)據(jù)加載和存儲(chǔ)操作看上去可能是在亂序執(zhí)行的

不過(guò)重排序也不是隨便重排的，發(fā)生指令重排序的前提是：在單線程下不影響執(zhí)行結(jié)果、對(duì)沒有數(shù)值依賴的代碼進(jìn)行重排序。這就是as-if-serial語(yǔ)義。在多線程情況下有一套更具體的規(guī)則，那就是happens-before原則。

happens-before由以下八大原則組成：

• 程序次序規(guī)則：一個(gè)線程內(nèi)，按照代碼順序，書寫在前面的操作先行發(fā)生于書寫在后面的操作（線程的執(zhí)行結(jié)果有序）
• 鎖定規(guī)則：一個(gè)unlock操作先行發(fā)生于后面對(duì)同一個(gè)鎖的lock操作
• volatile變量規(guī)則：對(duì)一個(gè)volatile變量的寫操作先行發(fā)生于后面對(duì)這個(gè)變量的讀操作
• 傳遞規(guī)則：如果操作A先行發(fā)生于操作B，操作B先行發(fā)生于操作C，則可以得出操作A先行發(fā)生于操作C
• 線程啟動(dòng)規(guī)則：Thread對(duì)象的start()方法先行發(fā)生于該線程的其他任何操作
• 線程中斷規(guī)則：對(duì)線程中斷方法interrupt()的調(diào)用先行發(fā)生于被中斷線程檢測(cè)到中斷事件的發(fā)生
• 線程終結(jié)規(guī)則：線程中所有操作先行發(fā)生于線程的終止檢測(cè)。通過(guò)Thread.join()方法結(jié)束、Thread.isAlive()方法的返回值等手段檢測(cè)到線程已經(jīng)終止執(zhí)行。比如在A線程中調(diào)用B.join()方法，B線程執(zhí)行完成后，B對(duì)共享變量的修改，對(duì)A來(lái)說(shuō)是可見的

對(duì)象終結(jié)規(guī)則：一個(gè)對(duì)象的初始化方法完成先行發(fā)生于該對(duì)象的finalize()方法的開始

如果兩個(gè)操作不滿足上述八大原則中的任意一個(gè)，那么這兩個(gè)操作就沒有順序保證，虛擬機(jī)可以對(duì)這兩個(gè)操作進(jìn)行重排序。如果操作A happens-before 操作B，那么A在內(nèi)存所做的修改對(duì)B都是可見的。

而volatile是通過(guò)插入內(nèi)存屏障（Memory Barrier），在內(nèi)存屏障前后禁止重排序優(yōu)化，以此實(shí)現(xiàn)有序性。

內(nèi)存屏障有兩個(gè)作用：一是保證特定操作的執(zhí)行順序，二是保證某些變量的內(nèi)存可見性。

volatile內(nèi)存語(yǔ)義的實(shí)現(xiàn)： JMM 針對(duì)編譯器制定的 volatile 重排序規(guī)則表

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)禁止特定類型的處理器重排序：

• 在每個(gè)volatile寫操作的前面插入一個(gè)StoreStore屏障
• 在每個(gè)volatile寫操作的后面插入一個(gè)StoreLoad屏障
• 在每個(gè)volatile讀操作的后面插入一個(gè)LoadLoad屏障
• 在每個(gè)volatile讀操作的后面插入一個(gè)LoadStore屏障

6. volatile應(yīng)用場(chǎng)景

volatile可以保證可見性和有序性，但無(wú)法保證原子性。所以它的應(yīng)用場(chǎng)景就不如synchronized廣泛，主要有兩個(gè)場(chǎng)景：一是做狀態(tài)變量，二是做需要重新賦值的共享對(duì)象。

比如：第二種場(chǎng)景常見的就有修飾單例模式的對(duì)象。

public class Singleton {
  // 使用volatile修飾，賦值后，其他線程能立即感知到
    private static volatile Singleton instance;

    private Singleton(){
    }

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

}

還有就是CopyOnWriteArrayList的底層實(shí)現(xiàn)就是用volatile修飾的數(shù)組，因?yàn)镃opyOnWriteArrayList每次修改數(shù)據(jù)后都會(huì)數(shù)組重新賦值，而不是只修改數(shù)據(jù)中的一個(gè)值，這樣才能保證了CopyOnWriteArrayList的數(shù)據(jù)安全性。