摘要：一接觸內(nèi)存模型中的實例靜態(tài)變量以及數(shù)組都存儲在堆內(nèi)存中，可在線程之間共享。所以，在編碼上實現(xiàn)鎖的內(nèi)存語義，可以通過對一個變量的讀寫，來實現(xiàn)線程之間相互通知，保證臨界區(qū)域代碼的互斥執(zhí)行。

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volatile關(guān)鍵字:　使用volatile關(guān)鍵字修飾的的變量，總能“看到”任意線程對它最后的寫入，即總能保證任意線程在讀寫volatile修飾的變量時，總是從內(nèi)存中讀取最新的值。以下是volatile在內(nèi)存中的語義實現(xiàn)及同步的原理。

一：接觸內(nèi)存模型

Java中的實例、靜態(tài)變量以及數(shù)組都存儲在堆內(nèi)存中，可在線程之間共享。而Java進程間通信由Java內(nèi)存模型（JMM）控制，JMM可以決定共享變量的寫入何時對另一個線程可見。（從JDK5開始，Java使用JSR-133內(nèi)存模型，從該規(guī)定開始，即使是在32位的機器上，一個64位的double/long的讀操作也必須滿足原子性）

[圖1.1]
本地內(nèi)存是JMM抽象的一個概念

二：順序一致性與重排序

從我學(xué)習(xí)編程語言開始，所認知的是“程序順序執(zhí)行”。然而，順序一致性只是一種理想模型。從源代碼到機器指令的這一過程中，編譯器和處理器往往會對指令做一些重排序從而提高性能，但是重排序會依據(jù)一個標(biāo)準：

不改變單線程程序語義

不影響數(shù)據(jù)依賴。

happens-before

如果一個操作的執(zhí)行結(jié)果需要對另一個操作可見，則兩個操作之間滿足happens-before關(guān)系。happens-before具有傳遞性
對于一個volatile變量的寫操作，happens-before于任意后續(xù)對這個變量的讀

as-if-serial

as-if-serial規(guī)定，如果操作直接存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系，則不允許重排序。不管怎么重排序，都必須遵守as-if-serial語義。

int a = 1;         //(1)
int b = 2;         //(2)
int c = a + b;     //(3)

上面的代碼中，(1)(2)之間不存在以來和happens-before關(guān)系，可以重排序，而(1)(3)和(2)(3)之間都存在as-if-serial關(guān)系，不能重排序

as-if-serial保護單線程程程序的語義正確性，使我們無需擔(dān)心重排序?qū)ξ覀兊挠绊懀彩刮覀儺a(chǎn)生一種錯覺：單線程程序就是順序執(zhí)行的。
拓展資料--重排序的三種類型：

　(1)編譯器優(yōu)化重排序
　(2)指令集并行重排序
　(3)內(nèi)存系統(tǒng)的重排序

三：多線程與重排序的思考

我們將happens-before和as-if-serial的關(guān)系引入到多線程中。我們可以將多線程的所有操作想象成在時間軸上的順序執(zhí)行的單線程程序。(以下流程圖使用Markdown語法繪制，有些地方不支持)

互不干涉的并發(fā)

在多線程的程序中，假如線程相互之間不涉及共享的變量，亦即互相不干涉，則兩個線程之間既沒有happens-before的關(guān)系，也沒有as-if-serial語義的約束，所以各個線程之間操作可以任意合并重排序：

線程A的執(zhí)行流程

st=>start: 線程A
op1=>operation: op-a-1
op2=>operation: op-a-2
op3=>operation: op-a-3
e=>end
st->op1->op2->op3->e

線程B的執(zhí)行流程

st=>start: 線程B
op1=>operation: op-b-1
op2=>operation: op-b-2
op3=>operation: op-b-3
e=>end
st->op1->op2->op3->e

并發(fā)的可能的執(zhí)行順序

st=>start: 重排序
op1=>operation: op-a-1
op2=>operation: op-b-1
op3=>operation: op-b-2
op4=>operation: op-a-2
op5=>operation: op-a-3
op6=>operation: op-b-3
e=>end
st->op1->op2->op3->op4->op5->op6->e

共享變量的并發(fā)

當(dāng)線程之間涉及到共享變量時，涉及到了線程之間的通信，即如圖1.1所示，此時并發(fā)所存在的問題（臟讀、幻讀、不可重復(fù)讀）明顯可見，但是，如果線程沒有正確地同步（通信），線程之間無法明確共享變量何時被寫入。因為此時所面對的問題就如將線程合并到時間軸上和重排序后是否違反happens-before和as-if-serial的語義了：

線程A

st=>start: 線程A
op1=>operation: a讀共享變量x
op2=>operation: a寫共享變量x
e=>end
st->op1->op2->e

線程B

st=>start: 線程B
op1=>operation: b讀共享變量x
op2=>operation: b寫共享變量x
e=>end
st->op1->op2->e

假如不同步，程序可能的執(zhí)行順序

st=>start: 重排序
op1=>operation: a讀共享變量x
op2=>operation: b寫共享變量x
op3=>operation: b讀共享變量x
op4=>operation: a寫共享變量x
e=>end
st->op1->op2->3->4->e

上面的程序執(zhí)行順序很顯然有臟讀的問題，而程序并發(fā)執(zhí)行的正確語義應(yīng)該有如下兩種：

a讀共享變量x happens-before a寫共享變量x，a寫共享變量x happens-before b讀共享變量x， b讀共享變量x happens-before b寫共享變量x

b讀共享變量x happens-before b寫共享變量x，b寫共享變量x happens-before a讀共享變量x，a讀共享變量x happens-before a寫共享變量x

所以，為程序保證并發(fā)操作的正確性，多線程對共享變量的非原子操作上，必須采用有效的通信方式來使其對共享變量的操作對其它線程可見，這就引入了volatile同步方式。

四：從volatile的內(nèi)存語義到鎖

JMM通過在指令序列中插入內(nèi)存屏障來限制編譯器的指令重排序，實現(xiàn)volatile的內(nèi)存語義

JSR-133中，對于volatile變量寫的內(nèi)存屏障插入策略

普通讀

普通寫

StoreStore屏障：禁止前面的普通寫和volatile寫重排序，保證前面的普通變量寫從本地內(nèi)存緩存刷新到主存中

volatile寫

StoreLoad屏障：防止volatile寫和下面有可能出現(xiàn)的volatile讀發(fā)生重排序

JSR-133中，對于volatile變量讀的內(nèi)存屏障插入策略

volatile讀

LoadLoad屏障：禁止下面的普通讀和volatile讀重排序

LoadStore屏障：禁止下面的普通寫和volatile讀重排序

內(nèi)存屏障對同步的作用

從上面我們可以看到，通過volatile關(guān)鍵字，構(gòu)建了happens-before的關(guān)系，限制普通變量和volatile變量讀寫的操作指令重排序，有效保證了程序語義的正確性。從下面圖我們可以進一步分析：

[圖4.2 volatile使線程之間的對共享變量操作的同步]

所以，volatile變量的寫-讀操作語義和Lock的獲取-釋放語義相同（這是JSR-133對volatile內(nèi)存語義增強后的），使用volatile我們亦可以靈活、輕量地實現(xiàn)對共享（普通）變量的同步：

寫volatile變量時，會將共享變量的本地內(nèi)存中的修改刷新到主存中

要想使用volatile完全代替鎖還需謹慎，volatile比較難像鎖一樣可以很好地保證整個臨界區(qū)域代碼的原子性

vloatile 保證對單個volatile變量讀/寫的原子性

鎖 保證臨界區(qū)域互斥執(zhí)行

但是，volatile的內(nèi)存語義為我們提供了鎖的思路，正如上面表格中使用volatile模仿Lock進行同步，既保證了臨界區(qū)域的互斥執(zhí)行，又保證了任意線程對共享變量修改及時刷新到主內(nèi)存中，保證了線程間有效通信從而避免并發(fā)操作臨界資源的一些問題。

從volatile到鎖的思考

鎖可以讓臨界區(qū)域互斥執(zhí)行，那么線程之間必然存在一個同步的機制。

（1）volatile讀 -----> |屏障|--->臨界操作--->|屏障|--->volatile寫，成對的volatile構(gòu)建了happens-before的關(guān)系，并且保證了普通共享變量在volatile寫之前刷新到主內(nèi)存中

（2）結(jié)合線程間通信的方式

[圖4.3 線程間通信的方式]

上圖的線程A對共享變量的寫和線程B的讀共享變量，有單線程程序的順序一致性效果，此時我們可以想到volatile的作用。通過volatile變量，可以實現(xiàn)從A線程發(fā)送通知到B線程并且能夠保證happens-before的語義正確性（在并發(fā)時就很好理解為什么happens-before并不要求前一個操作一定要在后一個操作之前執(zhí)行，只需要前一個操作的結(jié)果對后一個操作可見），此時我們可推出鎖獲取和釋放的內(nèi)存語義：

線程A釋放一個鎖，即線程A向接下來要獲取鎖的線程B發(fā)出消息（A修改共享的變量）

線程B獲取一個鎖，即線程B接收到之前某個線程發(fā)出的消息（共享變量發(fā)生變化）

從一個線程釋放鎖，到另一個線程釋放鎖，實際上是兩條線程通過主線程同步對共享變量的操作，通過主內(nèi)存相互通信。所以，在Java編碼上實現(xiàn)鎖的內(nèi)存語義，可以通過對一個volatile變量的讀寫，來實現(xiàn)線程之間相互通知，保證臨界區(qū)域代碼的互斥執(zhí)行。

[以上內(nèi)容參考了《Java并發(fā)編程的藝術(shù)》，可能有謬誤，歡迎指正]