Volatile关键字-数字星空

背景

volatile关键字是并发编程中的一个比较重要的关键字。它能保证变量/对象在内存中的可见性，同时禁止指令重排序，避免了CPU或者编译器优化带来的可见性问题。
在并发编程中，volatile可以去修饰一个变量，或者是一个对象(比如单例模式中就使用了volatile去修饰单例对象）
举例说明

volatile int a = 100;
volatile SingleInstance instance;*

什么是可见性？什么是可见性问题？

答: 可见性指的是一个共享变量被线程修改了以后，其他线程能立即看到变更后的变量值。因为线程是在各自的工作内存中执行数据的逻辑操作，并不会操作到主内存的变量值，一旦线程更新了变量的值，如果想要被可见，就必须立即再更新至主内存。所以，可见性问题就是指，A线程更新了变量的值，其他B线程操作变量的时候，没有得到这个变量变更后的新值，也就是A线程修改的值不可见。B线程使用旧值对变量进行更新操作，从而使得数据不一致。这个就是可见性问题！

如何解决变量可见性问题？

答：java中解决可见性问题的方案有很多。比如synchronzied, volatile, Lock锁，Atomic包下的原子类，JUC下的类。
synchronzied主要是保证同一时刻只能有一个线程操作某一个共享变量。避免多个线程同时访问一个共享变量带来的可见性问题。
volatile主要是会确保每个线程都能从主内存中读取该变量的最新值，而不是从自己的缓存中读取。本篇文章主要讲volatile的底层原理。

volatile的实现原理

volatile是通过内存屏障来禁止指令重排序，从而保证可见性的。
内存屏障有写屏障和读屏障(这些屏障实际上是一些硬件或者编译器级别的指令), volatile变量更新以后，会立即调用store指令，确保之前所有的写操作都会刷新到主内存中，避免写操作的重排序。读屏障确保读取volatile变量之前，会从主内存中读取最新的值。大多数处理器用的都是StoreLoad屏障。
StoreLoad相当于是一个全屏障，它会把处理器给变量赋值的指令存储到Store Buffer，然后lock指令使到Store Buffer中的数据刷新到缓存行，同时使得其他CPU缓存了变量的缓存行失效。
所以说内存屏障底层其实还是调用了Lock指令。

happens before模型

这个JMM中的一些规范，主要是描述了两个操作指令的顺序关系。如果A操作和B操作存在happens-before的关系，那么意味着A操作的执行结果对B操作可见。
以下是一些Happens-before规则

Happens-before规则

程序顺序原则
在同一个线程中，如果x操作在Y操作之前，那么x happens before y,其实也是as-if-serial语义。
传递性规则
如果存在A happens before B; B happens before C, 那么必然会存在A happens before C 。
volatile变量规则
指的是通过内存屏障来保障一个volatile修饰的变量的写操作一定happens before于其读操作。
监视器锁规则
一个线程对一个锁的释放操作一定happens before后续线程对该锁的加锁操作。

public void monitor() {
  synchronzied(this) {
  if(x == 0) {
    x = 10;
  }
}

如代码所示，当A线程执行逻辑之前，加上锁，执行结束后，会释放锁，此时A产生的结果对B一定是可见的。

start规则
假如一个线程A调用子线程的start方法，那么线程A在调用start()方法之前的所有操作都happens-before线程B中的所有操作。
join规则
首先join()的作用是等待某个子线程的执行结果。
如果主线程main()执行了线程A的join()方法并且成功返回，那么线程A中的任意操作happens before 于main线程的join()方法返回之后的操作。