JUC并发总结二

大纲

6.volatile如何保证可见性

7.volatile的原理(Lock前缀指令 + 内存屏障)

8.双重检查单例模式的volatile优化

9.synchronized关键字的原理

10.wait()与notify()的底层原理

11.Atomic原子类中的CAS无锁化原理

12.LongAdder的分段CAS优化多线程自旋

6.volatile如何保证可见性

(1)volatile型变量的特殊规则

volatile变量对所有线程都是立即可见的：对volatile变量的所有写操作都能立刻反映到其他线程之中，volatile变量在各个线程的工作内存中是不存在数据不一致性的问题。从物理存储的角度看，各个线程的工作内存中，volatile变量也可能存在不一致。但由于各个工作线程在每次使用volatile变量之前都要先刷新其值，于是执行引擎便看不到不一致的情况，因此可以认为不存在不一致的问题。

volatile变量是禁止指令重排序优化的：指令重排序是指CPU将多条指令，不按程序规定的顺序，分开发送给各个相应的电路单元进行处理。可见，volatile型变量的特殊规则就规定了volatile变量对所有线程立即可见。

(2)volatile如何保证可见性

普通变量和volatile变量的区别是：volatile保证了新值能立即同步到主内存，以及每次使用前立即从主内存刷新。也就是volatile保证了多线程操作时变量的可见性，而普通变量则不能保证。

如果flag变量是加了volatile关键字，那么当线程1通过assign操作将flag = 1写回工作内存时，会立即执行store和write操作将flag = 1同步到主内存。同时还会让线程2的工作内存中的flag变量的缓存过期，这样当线程2后续从工作内存里读取flag变量的值时，发现缓存已经过期就会重新从主内存中加载flag = 1的值。所以通过volatile关键字可以实现这样的效果：当一个线程修改了变量值，其他线程可以马上感知这个变量值。

(3)volatile不能保证原子性的字节码解释

比如对volatile变量n进行自增的方法虽然只有一行代码，但用javap反编译可知由4条字节码指令构成。当get_field指令把n的值取到操作栈顶时，volatile保证了n的值此时是最新的。但线程1执行iconst_1、iadd这些指令时，线程2可能已经把n的值改变了。于是此时线程1的操作栈顶的n值，就变成了过期数据，所以线程1执行put_field指令后就会把较小的n值同步回主内存中。

严格来说，volatile并不是轻量级的锁或者是轻量级同步机制。因为对于n++这样的基本操作，加了volatile关键字也无法保证原子性。而锁和同步机制，如synchonized或者lock是可以保证原子性的。

(4)volatile如何保证有序性

Happens-Before规则的volatile变量规则：程序中的代码如果满足上面这8条规则，就一定会保证指令的顺序。但是如果没满足上面的8条规则，那么就可能会出现指令重排。如对一个volatile变量的写操作先行发生于后面对这个volatile变量的读操作。

volatile型变量的特殊规则：volatile型变量会禁止指令重排序优化。在有序性问题的例子一中，使用volatile修饰flag能禁止重排序避免逻辑异常。在有序性问题的例子二中，使用volatile修饰instance能禁止重排序避免异常。

7.volatile的原理(Lock前缀指令 + 内存屏障)

(1)Lock前缀指令 + MESI实现可见性

如果对volatile关键字修饰的变量执行写操作，那么JVM就会向CPU发送一条Lock前缀指令，将这个变量所在的缓存行数据写回到主内存中。同时根据MESI缓存一致性协议，各个CPU会通过嗅探在总线上传播的数据，来检查该变量的缓存值是否过期。如果发现过期，CPU就会将该变量所在的缓存行设置成无效状态。后续当这个CPU要读取该变量时，就会从主内存中加载最新的数据。

所以Lock前缀指令 + MESI缓存一致性协议实现了volatile型变量的可见性。Lock前缀指令会引起将volatile型变量所在的缓存行数据写回到主内存，MESI缓存一致性协议可让CPU检查出哪些缓存被修改，同时令缓存失效。

(2)通过内存屏障实现禁止指令重排序

通过内存屏障来禁止某些指令重排序：加了volatile关键字的变量，可以保证前后的一些代码不会被指令重排。那么这个是如何做到的呢？volatille是如何保证有序性的呢？为了保证内存可见性，J