講到Java并發(fā)，多線程編程，一定避免不了對(duì)關(guān)鍵字volatile的了解，那么如何來(lái)認(rèn)識(shí)volatile，從哪些方面來(lái)了解它會(huì)比較合適呢？
個(gè)人認(rèn)為，既然是多線程編程，那我們?cè)谄匠５膶W(xué)習(xí)中，工作中，大部分都接觸到的就是線程安全的概念。
而線程安全就會(huì)涉及到共享變量的概念，所以首先，我們得弄清楚共享變量是什么，且處理器和內(nèi)存間的數(shù)據(jù)交互機(jī)制是如何導(dǎo)致共享變量變得不安全。
共享變量
能夠在多個(gè)線程間被多個(gè)線程都訪問(wèn)到的變量，我們稱之為共享變量。共享變量包括所有的實(shí)例變量，靜態(tài)變量和數(shù)組元素。他們都被存放在堆內(nèi)存中。
處理器與內(nèi)存的通信機(jī)制
大家都知道處理器是用來(lái)做計(jì)算的，且速度是非?？斓模鴥?nèi)存是用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的，且其訪問(wèn)速度相比處理器來(lái)說(shuō)，是慢了好幾個(gè)級(jí)別的。那么當(dāng)處理器需要處理數(shù)據(jù)時(shí)，如果每次都直接從內(nèi)存拿數(shù)據(jù)的話，就會(huì)導(dǎo)致效率非常低，因此在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，處理器是不直接跟內(nèi)存通信的，而是在處理器和內(nèi)存之間設(shè)置了多個(gè)緩存，也就是我們常常聽到的L1, L2, L3等高速緩存。
具體架構(gòu)如下所示：
處理器都是將數(shù)據(jù)從內(nèi)存讀到自己內(nèi)部的緩存中，然后在緩存中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改等操作，結(jié)束后再由緩存寫到回主存中去。
如果一個(gè)共享變量 X，在多線程的情況下，同時(shí)被多個(gè)處理器讀到各自的緩存中去，當(dāng)其中一個(gè)處理器修改了X的值，改成Y了，先寫回了內(nèi)存，而此時(shí)另外一個(gè)處理器，又將X改成Z，再寫回內(nèi)存，那么之前的Y就會(huì)被覆蓋掉了。
這種情況下，數(shù)據(jù)就已經(jīng)有問(wèn)題了，這種因?yàn)槎嗑€程操作而導(dǎo)致的異常問(wèn)題，通常我們就叫做線程不安全。
如上述兩圖所示，X的變量同時(shí)被不同的處理器修改成各自的Y和Z，那么如何避免這種情況呢？
這就涉及到了Java內(nèi)存模型中的可見性的概念。
Java內(nèi)存模型之可見性
可見性，意思就是說(shuō)，在多線程編程中，某個(gè)共享變量在其中一個(gè)線程被修改了，其修改結(jié)果要馬上能夠被其他線程看到，拿上面的例子來(lái)說(shuō)，也就是當(dāng)X在其中一個(gè)處理器的緩存中被修改成Y了， 另一個(gè)處理器必須能夠馬上知道自己緩存中的X已經(jīng)被修改成Y了，當(dāng)此處理器要拿此變量去參與計(jì)算的時(shí)候，必須重新去內(nèi)存中將此變量的值Y讀到緩存中。
而一個(gè)變量，如果被聲明成violate，那么其就能保證這種可見性，這就是volatile變量的作用了。
volatile
那么 volatile 變量能夠保證可見性的實(shí)現(xiàn)原理是什么？
聲明成volatile的變量，在編譯成匯編指令的時(shí)候，會(huì)多出以下一行：
0x0bca13ae:lock addl $0x0,(%esp) ;
這一句指令的意思是在寄存器上做一個(gè)+0的空操作，但這條指令有個(gè)Lock前綴。
而處理器在處理Lock前綴指令時(shí)，其實(shí)是聲言了處理器的Lock#信號(hào)。
在之前的處理器中，Lock#信號(hào)會(huì)導(dǎo)致傳輸數(shù)據(jù)的總線被鎖定，其他處理器都不能訪問(wèn)總線，從而保證處理Lock指令的處理器能夠獨(dú)享操作數(shù)據(jù)所在的內(nèi)存區(qū)域。
但由于總線被鎖住，其他的處理器都被堵住了，影響多處理器執(zhí)行的效率。在后來(lái)的處理器中，聲言Lock#信號(hào)的處理器，不會(huì)再鎖住總線，而是檢查到數(shù)據(jù)所在的內(nèi)存區(qū)域，如果是在處理器的內(nèi)部緩存中，則會(huì)鎖定此緩存區(qū)域，將緩存寫回到內(nèi)存當(dāng)中，并利用緩存一致性的原則來(lái)保證其他處理器中的緩存區(qū)域數(shù)據(jù)的一致性。
緩存一致性
緩存一致性原則會(huì)保證一個(gè)在緩存中的數(shù)據(jù)被修改了，會(huì)保證其他緩存了此數(shù)據(jù)的處理器中的緩存失效，從而讓處理器重新去內(nèi)存中讀取最新修改后的數(shù)據(jù)。
在實(shí)際的處理器操作中，各個(gè)處理器會(huì)一直在總線上嗅探其內(nèi)部緩存區(qū)域中的內(nèi)存地址在其它處理器的操作情況，一旦嗅探到某處理器打算修改某內(nèi)存地址，而此內(nèi)存地址剛好也在自己內(nèi)部的緩存中，則會(huì)強(qiáng)制讓自己的緩存無(wú)效。當(dāng)下次訪問(wèn)此內(nèi)存地址的時(shí)候，則重新從內(nèi)存當(dāng)中讀取新數(shù)據(jù)。
volatile不僅保證了共享變量在多線程間的可見性，其還保證了一定的有序性。
有序性
何謂有序性呢？
事實(shí)上，java程序代碼在編譯器階段和處理器執(zhí)行階段，為了優(yōu)化執(zhí)行的效率，有可能會(huì)對(duì)指令進(jìn)行重排序。
如果一些指令彼此之間互相不影響，那么就有可能不按照代碼順序執(zhí)行，比如后面的代碼先執(zhí)行，而之前的代碼則慢執(zhí)行，但處理器會(huì)保證結(jié)束時(shí)的輸出結(jié)果是一致的。
以上的這種情況就說(shuō)明指令有可能不是有序的。
volatile變量，上面我們看過(guò)其匯編指令，會(huì)多出一條Lock前綴的指令，這條指令能夠 保證，在這條指令之前的所有指令全部執(zhí)行完畢，而在這條指令之后的所有指令全部未執(zhí)行，也相于在這里立起了一道柵欄，稱之為內(nèi)存柵欄，而更通俗的說(shuō)法，則是內(nèi)存屏障。
那么有了這道屏障，volatile變量就禁止了指令的重排序，從而保證了指令執(zhí)行的有序性。
所有對(duì)volatile變量的讀操作一定發(fā)生在對(duì)volatile變量的寫操作之后。這同時(shí)也說(shuō)明了volatile變量在多個(gè)線程之間能夠?qū)崿F(xiàn)可見性的原理。所以各種規(guī)定和操作，其實(shí)之間互有關(guān)聯(lián)，彼此依賴，才能更好地保證指令執(zhí)行的準(zhǔn)確和效率。
內(nèi)存屏障
在上面我們也引出了內(nèi)存屏障的概念，也知道了，其實(shí)它就是一組處理器的操作指令。
插入一個(gè)內(nèi)存屏障，則相當(dāng)于告訴處理器和編譯器先于這個(gè)指令的必須先執(zhí)行，后于這個(gè)指令的必須后執(zhí)行。
內(nèi)存屏障另一個(gè)作用是強(qiáng)制更新一次不同CPU的緩存。
例如，一個(gè)寫屏障會(huì)把這個(gè)屏障前寫入的數(shù)據(jù)刷新到緩存，這樣任何試圖讀取該數(shù)據(jù)的線程將得到最新值，而不用考慮到底是被哪個(gè)cpu核心或者哪顆CPU執(zhí)行的。
這再仔細(xì)一想，不就是上面所說(shuō)的volatile的作用嗎？
所以，內(nèi)存屏障，可見性，有序性，緩存一致性原則，在java并發(fā)中各種各樣的名詞，本質(zhì)上可能就只是同一種現(xiàn)象或者同一種設(shè)計(jì)，從不同的角度觀察和探討所得出的不同的解釋。
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