三面阿里竟然败在了volatile关键字上（一文搞懂volatile 由浅入深，直击痛点）

今天闲来无事跟同事小麦大叔闲聊，

SoWhat：麦叔听说你偷偷面阿里啦，面的咋样？
小麦大叔： 一面挺简单的，主要问了一些基本的数据结构跟算法，还问了下 HashMap的十大常见基本问题。我都答案上来了，还问了我JDK7环，幸亏你那个HashMap环绘制的牛逼，我答的不错就让我准备二面了。
SoWhat:二面类？
小麦大叔：二面问了我一些JVM的问题，问我对于JVM内存模型的理解，还有GC的常见理解，最终还问了我下类加载机制，我看你之前水过这个 JVM系列，就依葫芦画瓢答上来了，让我准备三面。
SoWhat：麦叔这波可以啊，三面问的啥啊？
小麦大叔：三面问了我一些CAS、Lock、AQS跟 ConcurrentHashMap 的底层实现什么的，还问了我下线程池的七大参数跟四大拒绝策略，以及使用注意事项。我看你水过 并发编程系列，也就答上来了。
Sowhat：厉害啊这是要过的节奏阿！
小麦大叔：过个锤子，三面的这个总监最后竟然问了我下我对volatile的底层原理。你妹的你么水，我就答了一些基本的可见性跟弱原子性，然后我感觉面试官不太满意啊！
Sowhat：额好吧，那我抓紧再水文写下个关于volatile的使用。

使用

volatile变量自身具有下列特性相信大家都知道：

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

其中第二点可以理解为把对volatile变量的单个读/写，看成是使用同一个锁对这些单个读/写操作做了同步,就跟下面的SoWhat跟SynSoWhat功能类似哦。

class SoWhat{
    volatile int i = 0; // volatile修饰的变量
    public int getI(){
        return i;// 单个volatile变量的读
    }
    public  void setI(int j){
        this.i = j; // 单个volatile 变量的写
    }
    public void inc(){
        i++;//复合多个volatile 变量
    }
}
class SynSoWhat{
     int i = 0;
    public synchronized int getI(){
        return i;
    }
    public  synchronized void setI(int j){
        this.i = j;
    }
    public void inc(){ // 普通方法调用
        int tmp = getI(); // 调用已同步方法
        tmp = tmp + 1;//普通写方法
        setI(tmp);// 调用已同步方法
    }
}

写理解

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中的共享变量值刷新到主内存。

public class VolaSemanteme {
	int a = 0;
	volatile boolean flag = false; // 这是重点哦
	public void init() {
		a = 1; 
		flag = true; 
		//.......
	}
	public void use() {
		if (flag) { 
			int i = a * a; 
		}
		//.......
	}
}

线程A调用init方法，线程B调用use方法。

读理解

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。线程接下来将从主内存中读取共享变量。

public class VolaSemanteme {
	int a = 0;
	volatile boolean flag = false; // 这是重点哦
	public void init() {
		a = 1; 
		flag = true; 
		//.......
	}
	public void use() {
		if (flag) { 
			int i = a * a; 
		}
		//.......
	}
}

流程图大致是这样的：

volatile 指令重排

volatile 变量的内存可见性是基于内存屏障（Memory Barrier）实现。关于内存屏障的具体讲解以前写过不再重复，JMM装逼于无形这里说过。总结来说就是JMM内部会有指令重排，并且会有af-if-serial跟happen-before的理念来保证指令重拍的正确性。内存屏障就是基于4个汇编级别的关键字来禁止指令重排的，其中volatile的重拍规则如下：

1. 第一个为读操作时，第二个任何操作不可重排序到第一个前面。
2. 第二个为写操作时，第一个任何操作不可重排序到第二个后面。
3. 第一个为写操作时，第二个的读写操作也不运行重排序。

volatile写底层实现

JMM对volatile的内存屏障插入策略

在每个volatile写操作的前面插入一个StoreStore屏障。在每个volatile写操作的后面插入一个StoreLoad屏障。

volatile 读底层

JMM对volatile的内存屏障插入策略

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。

其中重点说下volatile读后面为什么跟了个LoadLoad。加入我有如下代码 AB两个线程执行，B线程的flag获取下面的读被提前了。

volatile的实现原理

有volatile变量修饰的共享变量进行写操作的时候会使用CPU提供的Lock前缀指令。在CPU级别的功能如下：

1. 将当前处理器缓存行的数据写回到系统内存
2. 这个写回内存的操作会告知在其他CPU你们拿到的变量是无效的下一次使用时候要重新共享内存拿。

我们可以通过jitwatch对简单的代码进行详细的反汇编看一下。

package com.sowhat.demo;

public class VolaSemanteme {
    int unvloatileVal = 0;
    volatile boolean flag = false;

    public void init() {
        unvloatileVal = 1;
        flag = true; // 第九行哦
    }
    public void use() {

        if (flag) {
            int LocalA = unvloatileVal;
            if (LocalA == 0) {
                throw new RuntimeException("error");
            }
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        VolaSemanteme volaSemanteme = new VolaSemanteme();
        volaSemanteme.init();
        volaSemanteme.use();
    }
}

对普通变量的赋值操作：

对volatile变量的赋值操作。

可以对比得出，volatile 修饰的变量确实会多一个 lock addl $0x0,(%rsp) 指令。

0x0000000114ce95cb: lock addl $0x0,(%rsp)  ;*putfield flag
  ; - com.sowhat.demo.VolaSemanteme::init@7 (line 9)