并发编程之volatile

volatile的定义和实现原理

在Java语言规范中将volatile定义如下：Java编程语言允许线程访问共享变量，为了确保共享变量能被准确和一致的更新，线程应该通过排他锁单独获得这个变量。Java语言提供了volatile，在某型情况下比使用锁更加方便。如果一个字段被声明为volatile，Java线程内存模型确保所有线程看到这个变量的值是一致的。

当我们对有volatile修饰的变量进行写操作的时候，会在下一行汇编加一个Lock指令。

Lock前缀的指令在多核处理器下会引起两件事情；

将当前处理器缓存行写回到系统内存
这个写回的操作会使其它CPU里缓存了该内存地址的数据无效。

volatile的内存语义

锁的happens-before规则保证释放锁和获取锁的两个线程之间的内存可见性，这意味着对一个volatile变量的读，总是能看到对这个volatile变量最后的写入。

**锁的语义决定了临界区代码的执行具有原子性。**这意味着，即使使64位的long型和double型变量，只要它使volatile变量，最该变量的读/写具有原子性。

volatile变量自身具有以下特性：

可见性。对一个volatile变量的读，总是能看到对这个volatile变量最后的写入。
原子性：对任意单个volatile变量的读/写具有原子性，当类似于volatile++这种复合操作不具有原子性。

volatile写的内存语义如下：

当写一个volatile变量时，JMM会把该线程对应的本地内存中的共享变量值刷新到主内存。

volatile读的内存语义如下：

当读一个volatile变量时，JMM会把该线程对应的本地内存置为无效。

volatile内存语义的实现

为了实现volatile内存语义，JMM会分别限制这两种类型的重排序。为了实现volatile的内存语义，编译器在生成字节码时，会在指令序列中插入内存屏障来禁止特定类型的处理器重排序。

在每个volatile写操作之前插入一个StoreStore屏障
在每个volatile写操作的后面插入一个StoreLoad屏障
在每个volatile读操作的后面插入一个LoadLoad屏障
在每个volatile读操作的后面插入一个LoadStore屏障。

volatile的使用优化

/** 队列中的头部节点 */
private transient f?inal PaddedAtomicReference<QNode> head;
/** 队列中的尾部节点 */
private transient f?inal PaddedAtomicReference<QNode> tail;
static final class PaddedAtomicReference <T> extends AtomicReference T> {
	// 使用很多4个字节的引用追加到64个字节
	Object p0, p1, p2, p3, p4, p5, p6, p7, p8, p9, pa, pb, pc, pd, pe;
	PaddedAtomicReference(T r) {
	super(r);
	}
}
public class AtomicReference <V> implements java.io.Serializable {
private volatile V value;
// 省略其他代码
｝

在上面这段代码中，通过追加字节来优化系统的性能。这是因为在目前多少的CPU中，缓存行的宽度为64字节，如果队列头节点和尾节点都不足64字节的话，那么处理器就会将头接点和尾节点读入同一个缓存行中，当一个处理器试图修改头节点的时候，将会把整个缓存行锁定，在缓存一致性的机制的作用下，会导致其它处理器不能访问自己高速缓存中的尾节点。