volatile原理

内存屏障（写前读后）

volatile 的底层实现原理是内存屏障，Memory Barrier（Memory Fence），
对 volatile 变量的写指令后会加入写屏障
对 volatile 变量的读指令前会加入读屏障

可见性：
写屏障（sfence）保证在该屏障之前的，对共享变量的改动，都同步到主存当中
读屏障（lfence）保证在该屏障之后，对共享变量的读取，加载的是主存中最新数据

有序性：
写屏障会确保指令重排序时，不会将写屏障之前的代码排在写屏障之后
读屏障会确保指令重排序时，不会将读屏障之后的代码排在读屏障之前

再来看三大特性的原理

保证可见性

volatile怎么保证的可见性？
写屏障（sfence）保证在该屏障之前的，对共享变量的改动，都同步到主存当中
读屏障（lfence）保证在该屏障之后，对共享变量的读取，加载的是主存中最新数据

在这点上，volatile与锁具有相同的内存效果，：

volatile变量的写和锁的释放具有相同的内存语义
volatile变量的读和锁的获取具有相同的内存语义。

禁止重排序

指令重排本意是为了提高程序执行的效率（调整指令执行的顺序到达执行一条指令的同时执行其他指令的目的）。单线程下不存在安全问题，但是多线程下存在。

指令重排序也遵循一定的规则：
重排序不会对存在依赖关系的操作进行重排
重排序只会对不存在依赖关系的操作进行重排
如下代码所示：
在这里插入图片描述

指令重排序现象（以后再看）

在这里插入图片描述
I_Result 是一个对象，有一个属性 r1 用来保存结果，问，可能的结果有几种？
情况1：线程1 先执行，这时 ready = false，所以进入 else 分支结果为 1
情况2：线程2 先执行 num = 2，但没来得及执行 ready = true，线程1 执行，还是进入 else 分支，结果为1情况3：线程2 执行到 ready = true，线程1 执行，这回进入 if 分支，结果为 4（因为 num 已经执行过了）
但我告诉你，结果还有可能是 0
这种情况下是：线程2 执行 ready = true，切换到线程1，进入 if 分支，相加为 0，再切回线程2 执行 num = 2相信很多人已经晕了
这种现象叫做指令重排

禁止指令重排原理

写屏障会确保指令重排序时，不会将写屏障之前的代码排在写屏障之后
读屏障会确保指令重排序时，不会将读屏障之后的代码排在读屏障之前

下面的有难度。
在旧的内存模型中，volatile的写-读就不能与锁的释放-获取具有相同的内存语义了。为了提供一种比锁更轻量级的线程间的通信机制，JSR-133专家组决定增强volatile的内存语义：严格限制编译器和处理器对volatile变量与普通变量的重排序。

编译器还好说，JVM是怎么还能限制处理器的重排序的呢？它是通过内存屏障来实现的。

硬件层面，内存屏障分两种：读屏障（Load Barrier）和写屏障（Store Barrier）。
内存屏障有两个作用：
1、阻止屏障两侧的指令重排序；
2、强制把写缓冲区/高速缓存中的脏数据等写回主内存，或者让缓存中相应的数据失效。
注意这里的缓存主要指的是CPU缓存，如L1，L2等

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：

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

大概示意图是这个样子：
在这里插入图片描述

再逐个解释一下这几个屏障。注：下述Load代表读操作，Store代表写操作

LoadLoad屏障：对于这样的语句Load1; LoadLoad; Load2，在Load2及后续读取操作要读取的数据被访问前，保证Load1要读取的数据被读取完毕。
StoreStore屏障：对于这样的语句Store1; StoreStore; Store2，在Store2及后续写入操作执行前，这个屏障会吧Store1强制刷新到内存，保证Store1的写入操作对其它处理器可见。
LoadStore屏障：对于这样的语句Load1; LoadStore;Store2，在Store2及后续写入操作被刷出前，保证Load1要读取的数据被读取完毕。
StoreLoad屏障：对于这样的语句Store1; StoreLoad; Load2，在Load2及后续所有读取操作执行前，保证Store1的写入对所有处理器可见。它的开销是四种屏障中最大的（冲刷写缓冲器，清空无效化队列）。在大多数处理器的实现中，这个屏障是个万能屏障，兼具其它三种内存屏障的功能

对于连续多个volatile变量读或者连续多个volatile变量写，编译器做了一定的优化来提高性能，比如：

第一个volatile读;

LoadLoad屏障；

第二个volatile读；

LoadStore屏障

再介绍一下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。
举例说明：


public class VolatileExample {
    int a = 0;
    volatile boolean flag = false;

    public void writer() {
        a = 1; // step 1
        flag = true; // step 2
    }

    public void reader() {
        if (flag) { // step 3
            System.out.println(a); // step 4
        }
    }
}

step 1，是普通变量的写，step 2是volatile变量的写，那符合第2个规则，这两个steps不能重排序。而step 3是volatile变量读，step 4是普通变量读，符合第1个规则，同样不能重排序。

但如果是下列情况：第一个操作是普通变量读，第二个操作是volatile变量读，那是可以重排序的：

// 声明变量
int a = 0; // 声明普通变量
volatile boolean flag = false; // 声明volatile变量

// 以下两个变量的读操作是可以重排序的
int i = a; // 普通变量读
boolean j = flag; // volatile变量读