volatile

前言

复习volatile实现原理之前先复习下JMM

CPU缓存和主内存的关系模型：

CPU为了解决其运算速度和内存读写速度不匹配的矛盾，CPU运算速度比内存读写快超级多

解决方法：高速缓存

cpu附近有L1,L2,L3三级缓存，之后就是主内存，引入了三级缓存带来的就是缓存的一致性问题，需要用到缓存一致性协议去解决缓存一致性问题，如MESI

缓存行

在总结MESI缓存一致性协议前先看看缓存行的定义：

缓存是分段的，一个段代表一个存储空间，即缓存行，也是CPU缓存中可分配的最小单位。

MESI

在MESI缓存一致性协议中定义了四种状态：

M，modified（已修改），缓存跟主存数据不一致，如果别的CPU要读主存这一块数据，该缓存需要先回写到主存且状态变为S（Share可共享）
E，exclusive（独占），缓存和主存数据一致，别的CPU要读这块数据时，状态变为S，要修改这块数据时，状态变为M，在其他缓存中的数据副本被标记为I(无效)
S，share（可共享），其他CPU也有这个数据，且数据是一致的
I，invalid（无效），当其他CPU修改了自己也有的缓存数据时，会通知自己将这块数据置为无效，下次自己要读时必须从主存读取

MESI是基于嗅探机制让其他处理器的缓存行失效的：

只有缓存行处于独占E或者已修改M才能去进行缓存行的写操作，也只有在这两种状态下，缓存行是独占的，即这个缓存行只有自己的这份拷贝。
所以，当处理器想要写缓存，必须先获取到缓存行的独占权，且必须先发送一条指令给总线（我要开始写缓存），其他处理器因为一直在嗅探总线，所以会立马感知到这条指令，从而让自身处理器对应的缓存行失效（如果有）

JMM

JMM，java内存模型其实和CPU内存模型非常像，在JMM中，每个线程都有自己的工作内存，工作内存中的数据是主存数据的拷贝，线程和线程之间的数据通信必须依赖于主存，不能直接访问其他线程的工作内存，线程对变量的所有操作（读取、赋值）都必须在工作内存中进行，而不能直接读写主内存中的变量。

所以，通过JMM也可以看出，如果没有做同步处理，java多线程环境下也是会出现数据一致性问题，线程和线程之间的工作内存中的数据可能不一致

而volatile为多线程下的可见性问题提供了保证

一，内存语义&原理

通过内存屏障，禁止指令重排序，保证了有序性
保证了共享变量的可见性
不保证原子性

内存屏障：

内存屏障分为：

读屏障
- 让缓存中的数据失效，强制从主存中读取
写屏障
- 将缓存中的新值强制写回到主存，让其他线程可见

作用：

禁止屏障两边的指令重排序
强制将写缓冲区/CPU高速缓存（L1,L2）中的数据写回到主内存，或者让相应缓存中的数据失效

编译器在生成字节码时，会在指令序列中插入内存屏障来禁止特定类型的处理器重排序。编译器选择了一个比较保守的JMM内存屏障插入策略，这样可以保证在任何处理器平台，任何程序中都能得到正确的volatile内存语义。这个策略是：(Load代表读操作，Store代表写操作)

在每个volatile写操作前插入一个StoreStore屏障；
在每个volatile写操作后插入一个StoreLoad屏障；
在每个volatile读操作后插入一个LoadLoad屏障；
在每个volatile读操作后再插入一个LoadStore屏障。

volatile与普通变量的重排序规则:

如果第一个操作是volatile读，那无论第二个操作是什么，都不能重排序；
如果第二个操作是volatile写，那无论第一个操作是什么，都不能重排序；
如果第一个操作是volatile写，第二个操作是volatile读，那不能重排序。

原理：

java代码经过处理得到汇编代码后：

0x0000000002931351: lock add dword ptr [rsp],0h  ;*putstatic instance

发现多了一个lock前缀

lock前缀作用：

早期锁总线，其他CPU对缓存行的读写操作会被阻塞，直到锁释放，后期锁缓存行，且lock操作后的写操作结果会回写到主内存，并且使其他CPU该缓存行失效。其他CPU在用到该缓存行时发现缓存行失效，会从主存中读取最新值

二，用途

单例模式

public class Singleton {

    private static Singleton instance; // 不使用volatile关键字

    // 双重锁检验
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) { // 第7行
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton(); // 第10行
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

主要是对象实例化的new指令不是一个原子指令，包含了内存分配，调用init，引用指向对象地址这几个过程，cpu为了程序效率可能将其重排序了，返回出去的对象引用可能没有init初始化

共享状态变量

并发编程-volatile

volatile

前言

一，内存语义&原理

二，用途

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