其他：volatile的原理解析

r囧r小猫 2021-12-20 18:47 238阅读 0赞

在看AtomicInteger代码的时候，看到了它的原始是这么定义的    private volatile int value;，在unsafe类中有这几种原生的方法

var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
      var6 = this.getLongVolatile(var1, var2);
      var5 = this.getObjectVolatile(var1, var2);

为什么要这么定义，getXXVolatile方法又代表什么呢，基本解释就是：支持 volatile load 语义，那这句话又是什么意思呢？下边是摘自网上的例子

//instance是volatile变量
    instance = new Singleton();

转换为汇编代码：

0x01a3de1d: movb $0×0,0×1104800(%esi);
    0x01a3de24: lock add1 $0×0,(%esp)

在有volatile变量修饰的共享变量进行写操作时会多出第二行代码。 lock前缀（[参看文章][Link 1]）的指令在多核处理器中会引发两件事情：

将当前处理器缓存行的数据写回到系统内存。 lock指令导致在执行指令期间，声言处理器的LOCK\#信号。LOCK\#信号使CPU在执行期间锁住总线，其他CPU无法访问主线也就不能访问系统内存。随着发展，处理器不锁总线而变成锁缓存，毕竟锁总线开销太大。缓存锁定后，会阻止同时修改两个以上处理器缓存的内存区域数据。

这个写回内存的操作会使在其他CPU里缓存了该内存地址的数据无效。 处理器能嗅探其他处理器访问系统内存和它们的内部缓存，如果一个处理器检测到其他处理器打算写内存地址，而这个地址处于共享状态，那么正在嗅探的处理器将使它的缓存行无效，下次访问时，强制执行缓存填充，从主内存读取数据。

内存语义  
当读一个volatile变量时，JMM会把该线程对应的本地内存置为无效。线程接下来将从主内存中读取共享变量。

特性  
可见性：对一个volatile变量的读，总是能看到(任意线程)对这个volatile变量最后的写入。  
原子性：对任意单个volatile变量的读/写具有原子性，但类似于volatile++这种复合操作不具有原子性。

两种应用场景：

将 volatile 变量作为状态标志使用

volatile boolean shutdownRequested;
     
    public void shutdown() { shutdownRequested = true; }
     
    public void doWork() { 
        while (!shutdownRequested) { 
            // do stuff
        }
    }

上面的这种场景就很适合使用 volatile 变量来控制并发，即当 shutdown () 方法调用时，能保证所有线程中执行的 doWork () 方法都立即停下来。

例如常见的促销活动 “秒杀”，可以用 volatile 来修饰 “是否售罄” 字段，从而保证在并发下，能正确的处理商品是否售罄。

然而，使用 synchronized 块编写循环要比使用上面基于 volatile 状态标志的实现麻烦很多。由于 volatile 简化了编码，并且状态标志并不依赖于程序内任何其他状态，因此此处非常适合使用 volatile。

这种类型的状态标记的一个公共特性是：通常只有一种状态转换；shutdownRequested 标志从 false 转换为 true，然后程序停止。

单例模式 double check  
为什么要加 volatile 关键字，就是为了保证 instance 的初始化完成之后才会被使用，以免报错。如果不使用，可能会出现，线程 A 先 new 了一个对象 分配了内存地址，但是初始化对象的工作没有完成。此时线程 B 进来，instance 不为空。线程 B 持有 instance 然后使用的时候报错。

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

性能考虑  
使用 volatile 变量的主要原因是其简易性：在某些情形下，使用 volatile 变量要比使用相应的锁简单得多。使用 volatile 变量次要原因是其性能：某些情况下，volatile 变量同步机制的性能要优于锁。

由于 volatile 变量中并不存在任何锁，因而访问这个变量并不会造成正在执行的线程进入阻塞态。因此，volatile 变量是一种比 synchronized 块更轻量级的同步机制。一句话概括，锁可以保证可见性和原子性，而 volatile 变量只能保证可见性。

在目前大多数的处理器架构上，volatile 读操作开销非常低 —— 几乎和非 volatile 读操作一样。而 volatile 写操作的开销要比非 volatile 写操作多很多，因为要保证可见性需要实现内存界定（Memory Fence），即便如此，volatile 的总开销仍然要比锁获取低。

volatile 操作不会像锁一样造成阻塞，因此，在能够安全使用 volatile 的情况下，volatile 可以提供一些优于锁的可伸缩特性。如果读操作的次数要远远超过写操作，与锁相比，volatile 变量通常能够减少同步的性能开销。

总结一下文章开始提到的问题：unsafe里边的CAS保证了原型执行，volatile保证里可见性，一个是原语开销低，另外一个开销也低，这就造就了整个的数据的安全，但是注意这些在分布式环境中依然是没有意义的。

摘自以下文章：

[volatile原理][volatile]

[Java 关键字 - volatile 关键字][Java _ - volatile]

[彻底理解volatile][volatile 1]

[Java volatile Example][]

[Link 1]: https://www.jianshu.com/p/64240319ed60
[volatile]: https://keyu.site/2018/12/27/volatile/
[Java _ - volatile]: https://swsmile.info/2019/02/25/%E3%80%90Java%E3%80%91Java%E5%85%B3%E9%94%AE%E5%AD%97-volatile-%E5%85%B3%E9%94%AE%E5%AD%97/
[volatile 1]: https://juejin.im/post/5ae9b41b518825670b33e6c4
[Java volatile Example]: https://javatutorial.net/java-volatile-example