Java关键字volatile的实现原理（四）

简述

volatile 是轻量级的synchronized，在多线程开发中保证了共享变量的可见性。可见性就是当一个线程修改一个共享变量时，另一个线程可以读到修改的值。如果volatile变量使用恰当，它比synchronized的使用成本更低，因为它不会引起线程上下文的切换和调度。

什么是volatile

Java语言提供了一种稍弱的同步机制，即 volatile 变量，用来确保共享变量能被多线程正确的更新和读取。当把变量声明为volatile后，编译器和运行时就会认为这个变量是共享的，因此不会把该变量的操作和其他内存操作一起重排序。volatile 变量不会被缓存在寄存器或者其他处理器不可见的地方，因此在读取volatile 修饰的变量时总会返回最新的值。

volatile 的实现原理

在了解volatile 的实现原理之前，我们先看一下与其相关的CPU术语：

术语	英文名称	术语描述
内存屏障	memory barriers	一组处理器指令，用来限制对内存操作的顺序
缓冲行	cache line	缓存中可以分配的最小存储单位，处理器在填写缓存行时，会加载整个缓存行，需要多个主内存读周期
原子操作	automic operations	不可中断的一个或一系列操作
缓冲行填充	cache line fill	当处理器识别到从内存中读取的操作数是可以缓存的，处理器会读取整个缓存行到适当的缓存（L1,L2,L3）
缓存命中	cache hit	处理器从缓存中读取到了需要的数据
写命中	write hit	当处理器将操作数写会到缓存区域时，会先检查这个缓存的内存地址是否在缓存行中，如果存在一个有效的缓存行，则处理器将这个操作数写回到缓存，而不是写到内存，这个操作被称为写命中
写缺失	write misses the cache	一个有效的缓存行被写到不存在的内存区域

volatile 如何保证可见性

为了提高处理速度，处理器不直接和内存进行通信，而是先将系统内存的数据读到内部缓存（L1,L2,L3或其他）后再进行操作，但是操作完不知道何时会被写到内存。

如果对声明了volatile 的变量进行写操作，JVM 就会向处理器发送一条Lock前缀的指令，将这个变量所在缓存行的数据写回到系统内存。

在多核处理器下，为了保证各个处理器的缓存是一致的，就会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查自己缓存的值是否过期，当处理器发现自己缓存行对应的内存地址被修改，就会将当前处理器的缓存行设置成无效状态，当处理器对这个数据进行修改操作的时候，会重新从系统内存中把数据读到处理器缓存里。

volatile 实现原则

1、Lock 前缀的指令会引起处理器缓存回写到内存

如果访问的内存区域已经缓存在处理器内部，此时当前处理器会锁定这块内存区域的缓存并写到内存，并使用缓存一致性机制来确保修改的原子性，此操作被称为缓存锁定，缓存一致性机制会阻止同一时间修改两个以上处理器缓存的内存区域的数据。

2、一个处理器的缓存回写到内存会导致其他处理器的缓存失效

处理器使用嗅探技术保证它的内部缓存、系统内存和其他处理器的缓存的数据在总线上保持一致。如果通过嗅探一个处理器来检测其他处理器打算写内存地址，而这个内存地址当前处于共享状态，那么正在嗅探的处理器将使它的缓存行无效，在下次访问相同内存地址是，强制执行缓存行填充。

volatile 的局限性

虽然volatile变量使用很方便，但也存在一些局限性。volatile变量通常用作某个操作完成、发生中断或者状态的标志。尽管volatile 变量也可以用于表示其他的状态信息，但在使用时要非常小心。例如：volatile 的语义不足以确保递增操作（count++）的原子性，除非能确保只有一个线程对变量进行写操作。

加锁机制既可以确保可见性又可以确保原子性，而volatile 变量只能确保可见性。

当满足以下所有条件时，才应该使用volatile 变量：

1、对变量的写入操作不依赖于变量的当前值，或者确保只有一个线程更新变量的值

2、该变量不会与其它变量一起作为不变性条件

3、在访问变量时不需要加锁