volatile关键字解析&内存模型&并发编程中三概念

一.内存模型的相关概念

　　大家都知道，计算机在执行程序时，每条指令都是在CPU中执行的，而执行指令过程中，势必涉及到数据的读取和写入。由于程序运行过程中的临时数据是存放在主存（物理内存）当中的，这时就存在一个问题，由于CPU执行速度很快，而从内存读取数据和向内存写入数据的过程跟CPU执行指令的速度比起来要慢的多，因此如果任何时候对数据的操作都要通过和内存的交互来进行，会大大降低指令执行的速度。因此在CPU里面就有了高速缓存。

　　也就是，当程序在运行过程中，会将运算需要的数据从主存复制一份到CPU的高速缓存当中，那么CPU进行计算时就可以直接从它的高速缓存读取数据和向其中写入数据，当运算结束之后，再将高速缓存中的数据刷新到主存当中。举个简单的例子，比如下面的这段代码：

1

i = i + 1;

 　　当线程执行这个语句时，会先从主存当中读取i的值，然后复制一份到高速缓存当中，然后CPU执行指令对i进行加1操作，然后将数据写入高速缓存，最后将高速缓存中i最新的值刷新到主存当中。

　　这个代码在单线程中运行是没有任何问题的，但是在多线程中运行就会有问题了。在多核CPU中，每条线程可能运行于不同的CPU中，因此每个线程运行时有自己的高速缓存（对单核CPU来说，其实也会出现这种问题，只不过是以线程调度的形式来分别执行的）。本文我们以多核CPU为例。

　　比如同时有2个线程执行这段代码，假如初始时i的值为0，那么我们希望两个线程执行完之后i的值变为2。但是事实会是这样吗？

　　可能存在下面一种情况：初始时，两个线程分别读取i的值存入各自所在的CPU的高速缓存当中，然后线程1进行加1操作，然后把i的最新值1写入到内存。此时线程2的高速缓存当中i的值还是0，进行加1操作之后，i的值为1，然后线程2把i的值写入内存。

　　最终结果i的值是1，而不是2。这就是著名的缓存一致性问题。通常称这种被多个线程访问的变量为共享变量。

　　也就是说，如果一个变量在多个CPU中都存在缓存（一般在多线程编程时才会出现），那么就可能存在缓存不一致的问题。

　　为了解决缓存不一致性问题，通常来说有以下2种解决方法：

　　1）通过在总线加LOCK#锁的方式

　　2）通过缓存一致性协议

　　这2种方式都是硬件层面上提供的方式。

　　在早期的CPU当中，是通过在总线上加LOCK#锁的形式来解决缓存不一致的问题。因为CPU和其他部件进行通信都是通过总线来进行的，如果对总线加LOCK#锁的话，也就是说阻塞了其他CPU对其他部件访问（如内存），从而使得只能有一个CPU能使用这个变量的内存。比如上面例子中 如果一个线程在执行 i = i +1，如果在执行这段代码的过程中，在总线上发出了LCOK#锁的信号，那么只有等待这段代码完全执行完毕之后，其他CPU才能从变量i所在的内存读取变量，然后进行相应的操作。这样就解决了缓存不一致的问题。

　　但是上面的方式会有一个问题，由于在锁住总线期间，其他CPU无法访问内存，导致效率低下。

　　所以就出现了缓存一致性协议。最出名的就是Intel 的MESI协议，MESI协议保证了每个缓存中使用的共享变量的副本是一致的。它核心的思想是：当CPU写数据时，如果发现操作的变量是共享变量，即在其他CPU中也存在该变量的副本，会发出信号通知其他CPU将该变量的缓存行置为无效状态，因此当其他CPU需要读取这个变量时，发现自己缓存中缓存该变量的缓存行是无效的，那么它就会从内存重新读取。

总结：

Java内存模型是什么？

　　Java内存模型规定和指引Java程序在不同的内存架构、CPU和操作系统间有确定性地行为。它在多线程的情况下尤其重要。Java内存模型对一个线程所做的变动能被其它线程可见提供了保证，它们之间是先行发生关系。这个关系定义了一些规则让程序员在并发编程时思路更清晰。比如，先行发生关系确保了：

• 线程内的代码能够按先后顺序执行，这被称为程序次序规则。
• 对于同一个锁，一个解锁操作一定要发生在时间上后发生的另一个锁定操作之前，也叫做管程锁定规则。
• 前一个对volatile的写操作在后一个volatile的读操作之前，也叫volatile变量规则。
• 一个线程内的任何操作必需在这个线程的start()调用之后，也叫作线程启动规则。
• 一个线程的所有操作都会在线程终止之前，线程终止规则。
• 一个对象的终结操作必需在这个对象构造完成之后，也叫对象终结规则。
• 可传递性

• 二.volatile的原理和实现机制

• 下面这段话摘自《深入理解Java虚拟机》：

  　　“观察加入volatile关键字和没有加入volatile关键字时所生成的汇编代码发现，加入volatile关键字时，会多出一个lock前缀指令”

  　　lock前缀指令实际上相当于一个内存屏障（也成内存栅栏），内存屏障会提供3个功能：

  　　1）它确保指令重排序时不会把其后面的指令排到内存屏障之前的位置，也不会把前面的指令排到内存屏障的后面；即在执行到内存屏障这句指令时，在它前面的操作已经全部完成；

  　　2）它会强制将对缓存的修改操作立即写入主存；

  　　3）如果是写操作，它会导致其他CPU中对应的缓存行无效。

  请参考：

  　　《Java 中的双重检查（Double-Check）》http://blog.csdn.net/dl88250/article/details/5439024

  　　和http://www.iteye.com/topic/652440

  　　参考资料：

  　　《Java编程思想》

  　　《深入理解Java虚拟机》

  　　http://jiangzhengjun.iteye.com/blog/652532

  　　http://blog.sina.com.cn/s/blog_7bee8dd50101fu8n.html

  　　http://ifeve.com/volatile/

  　　http://blog.csdn.net/ccit0519/article/details/11241403

  　　http://blog.csdn.net/ns_code/article/details/17101369

  　　http://www.cnblogs.com/kevinwu/archive/2012/05/02/2479464.html

  　　http://www.cppblog.com/elva/archive/2011/01/21/139019.html

  　　http://ifeve.com/volatile-array-visiblity/

  　　http://www.bdqn.cn/news/201312/12579.shtml

  　　http://exploer.blog.51cto.com/7123589/1193399

  　　http://www.cnblogs.com/Mainz/p/3556430.html

  
  

  来源： http://blog.csdn.net/basycia/article/details/52058986