上篇文章我們講了synchronized的用法和實作原理，我們總愛說synchronized是重量級鎖，volatile是輕量級鎖。為什麼volatile是輕量級鎖，展現在哪些方面？以及volatile的作用和實作原理是怎樣的？本篇帶你一塊學習一下。
1. volatile是什麼？
volatile是Java提供的一種輕量級的同步機制。與synchronized修飾方法、代碼塊不同，volatile隻用來修飾變量。并且與synchronized、ReentrantLock等重量級鎖不同的是，volatile更輕量級，因為它不會引起線程上下文的切換和排程。
2. volatile的作用
說volatile作用之前，先說一下并發程式設計的三大特性：原子性、可見性和有序性。
- 原子性即一個或者多個操作作為一個整體，要麼全部執行，要麼都不執行，并且操作在執行過程中不會被線程排程機制打斷；而且這種操作一旦開始，就一直運作到結束，中間不會有任何上下文切換。
- 可見性可見性是指當多個線程通路同一個變量時，一個線程修改了這個變量的值，其他線程能夠立即看得到修改的值。
- 有序性為了提高程式的執行效率，編譯器會對編譯後的指令進行重排序，即代碼的編寫順序不一定就是代碼的執行順序。
并發程式設計中隻有同時滿足這三大特性，才能保證程式正确地執行。而volatile的隻保證了可見性和有序性，不保證原子性。
volatile的作用隻有兩個：
- 保證記憶體的可見性
- 禁止JVM記憶體重排序（保證有序性）
在并發多線程情況下，為什麼會有可見性問題？如果不做控制，為什麼一個線程修改了共享變量的值，其他線程不能立即看到？這就需要聊到JMM（Java記憶體模型，Java Memory Model）。
3. JMM是什麼
JMM（Java記憶體模型，Java Memory Model）定義程式通路變量的規範，為了屏蔽不同作業系統之間的差異。
由于Java共享變量是存儲在主記憶體中，而Java線程無法直接通路主記憶體中資料，隻能把主記憶體中的資料讀到本地記憶體（相當于拷貝一份副本），修改完本地記憶體的資料，再寫回主記憶體。而此時另一個線程也把主記憶體的資料拷貝到自己私有的本地記憶體中，雖然線程1已經修改了主記憶體從資料，線程2卻無法感覺到，是以就出現了記憶體可見性問題。
4. 可見性問題
JMM定義的這套模型，會有可見性問題。當線程1修改了本地記憶體的資料，并刷會主記憶體中，其他線程中本地記憶體的資料并沒有變化。也就是一個線程修改了共享變量的值，其他線程無法立即感覺到。
像上圖的流程，兩個線程都把count=0的變量拷貝到自己私有的本地記憶體中，線程1把count的值修改為1，并寫回主記憶體，而線程2本地記憶體的count值還是0。
那麼volatile是怎麼解決可見性問題呢？
volatile主要通過彙編lock字首指令，它會鎖定目前記憶體區域的緩存（緩存行），并且立即将目前緩存行資料寫入主記憶體（耗時非常短），回寫主記憶體的時候會通過MESI協定使其他線程緩存了該變量的位址失效，進而導緻其他線程需要重新去主記憶體中重新讀取資料到其工作線程中。
什麼是MESI協定？
MESI協定（Modified Exclusive Shared Or Invalid）是各處理器通路緩存時都遵循一緻性協定。核心思想是：
當CPU寫資料時，如果發現操作的變量是共享變量，即在其他CPU中也存在該變量的副本，會發出信号通知其他CPU将該變量的緩存行置為無效狀态，是以當其他CPU需要讀取這個變量時，發現自己緩存中緩存該變量的緩存行是無效的，那麼它就會從記憶體重新讀取。
MESI分别代表緩存行資料所處的四種狀态，通過對這四種狀态的切換，來達到對緩存資料進行管理的目的。
| 狀态 | 描述 | 監聽任務 |
| M 修改（Modify） | 該緩存行有效，資料被修改了，和記憶體中的資料不一緻，資料隻存在于本緩存行中 | 緩存行必須時刻監聽所有試圖讀該緩存行相對應的記憶體的操作，其他緩存須在本緩存行寫回記憶體并将狀态置為E之後才能操作該緩存行對應的記憶體資料 |
| E 獨享、互斥（Exclusive） | 該緩存行有效，資料和記憶體中的資料一緻，資料隻存在于本緩存行中 | 緩存行必須監聽其他緩存讀主記憶體中該緩存行相對應的記憶體的操作，一旦有這種操作，該緩存行需要變成S狀态 |
| S 共享（Shared） | 該緩存行有效，資料和記憶體中的資料一緻，資料同時存在于其他緩存中 | 緩存行必須監聽其他緩存是該緩存行無效或者獨享該緩存行的請求，并将該緩存行置為I狀态 |
| I 無效（Invalid） | 該緩存行資料無效 | 無 |
而MESI協定是通過總線嗅探技術實作的：
總線嗅探是通過CPU偵聽總線上發生的資料交換操作，當總線上發生了資料操作，那麼總線就會廣播對應的通知，CPU收到通知後，再根據本地的情況進行響應。
5. 有序性問題
虛拟機在進行代碼編譯時，對改變順序後不會對最終結果造成影響的代碼，虛拟機不一定會按我們寫的代碼順序運作，有可能進行重排序。實際上雖然重排後不會對變量值有影響，但會造成線程安全問題。
重排序又可以分為三種：
- 編譯器優化的重排序。編譯器在不改變單線程程式語義的前提下，可以重新安排語句的執行順序
- 指令級并行的重排序。現代CPU采用了指令級并行技術來将多條指令重疊執行。對于不存在資料依賴的指令，CPU可以改變語句對應機器指令的執行順序
- 記憶體系統的重排序。由于CPU使用三級緩存結構，這使得資料加載和存儲操作看上去可能是在亂序執行的
不過重排序也不是随便重排的，發生指令重排序的前提是：在單線程下不影響執行結果、對沒有數值依賴的代碼進行重排序。這就是as-if-serial語義。在多線程情況下有一套更具體的規則，那就是happens-before原則。
happens-before由以下八大原則組成：
- 程式次序規則：一個線程内，按照代碼順序，書寫在前面的操作先行發生于書寫在後面的操作（線程的執行結果有序）
- 鎖定規則：一個unlock操作先行發生于後面對同一個鎖的lock操作
- volatile變量規則：對一個volatile變量的寫操作先行發生于後面對這個變量的讀操作
- 傳遞規則：如果操作A先行發生于操作B，操作B先行發生于操作C，則可以得出操作A先行發生于操作C
- 線程啟動規則：Thread對象的start()方法先行發生于該線程的其他任何操作
- 線程中斷規則：對線程中斷方法interrupt()的調用先行發生于被中斷線程檢測到中斷事件的發生
- 線程終結規則：線程中所有操作先行發生于線程的終止檢測。通過Thread.join()方法結束、Thread.isAlive()方法的傳回值等手段檢測到線程已經終止執行。比如在A線程中調用B.join()方法，B線程執行完成後，B對共享變量的修改，對A來說是可見的
- 對象終結規則：一個對象的初始化方法完成先行發生于該對象的finalize()方法的開始
如果兩個操作不滿足上述八大原則中的任意一個，那麼這兩個操作就沒有順序保證，虛拟機可以對這兩個操作進行重排序。如果操作A happens-before 操作B，那麼A在記憶體所做的修改對B都是可見的。
而volatile是通過插入記憶體屏障（Memory Barrier），在記憶體屏障前後禁止重排序優化，以此實作有序性。
記憶體屏障有兩個作用：一是保證特定操作的執行順序，二是保證某些變量的記憶體可見性。
volatile記憶體語義的實作： JMM 針對編譯器制定的 volatile 重排序規則表
操作普通讀寫volatile讀volatile寫普通讀寫可以重排可以重排不可以重排volatile讀不可以重排不可以重排不可以重排volatile寫可以重排不可以重排不可以重排
編譯器在生成位元組碼時，會在指令序列中插入記憶體屏障來禁止特定類型的處理器重排序：
- 在每個volatile寫操作的前面插入一個StoreStore屏障
- 在每個volatile寫操作的後面插入一個StoreLoad屏障
- 在每個volatile讀操作的後面插入一個LoadLoad屏障
- 在每個volatile讀操作的後面插入一個LoadStore屏障
6. volatile應用場景
volatile可以保證可見性和有序性，但無法保證原子性。是以它的應用場景就不如synchronized廣泛，主要有兩個場景：一是做狀态變量，二是做需要重新指派的共享對象。
比如：第二種場景常見的就有修飾單例模式的對象。
public class Singleton {
// 使用volatile修飾，指派後，其他線程能立即感覺到
private static volatile Singleton instance;
private Singleton() {
}
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
synchronized (Singleton.class) {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
}
}
return instance;
}
}
還有就是CopyOnWriteArrayList的底層實作就是用volatile修飾的數組，因為CopyOnWriteArrayList每次修改資料後都會數組重新指派，而不是隻修改資料中的一個值，這樣才能保證了CopyOnWriteArrayList的資料安全性。
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