前篇博客【死磕Java並發】—–深入分析volatile的實現原理 中已經闡述了volatile的特性了：

1. volatile可見性；對一個volatile的讀，總可以看到對這個變量最終的寫；
2. volatile原子性；volatile對單個讀/寫具有原子性（32位Long、Double），但是復合操作除外，例如i++;
3. JVM底層采用“內存屏障”來實現volatile語義

下面LZ就通過happens-before原則和volatile的內存語義兩個方向介紹volatile。

volatile與happens-before

在這篇博客【死磕Java並發】—–Java內存模型之happend-before中LZ闡述了happens-before是用來判斷是否存數據競爭、線程是否安全的主要依據，它保證了多線程環境下的可見性。下面我們就那個經典的例子來分析volatile變量的讀寫建立的happens-before關系。

public class VolatileTest {

    int i = 0;
    volatile boolean flag = false;

    //Thread A
    public void write(){
        i = 2;              //1
        flag = true;        //2
    }

    //Thread B
    public void read(){
        if(flag){                                   //3
            System.out.println("---i = " + i);      //4
        }
    }
}
 

依據happens-before原則，就上面程序得到如下關系：

• 依據happens-before程序順序原則：1 happens-before 2、3 happens-before 4；
• 根據happens-before的volatile原則：2 happens-before 3；
• 根據happens-before的傳遞性：1 happens-before 4

操作1、操作4存在happens-before關系，那麽1一定是對4可見的。可能有同學就會問，操作1、操作2可能會發生重排序啊，會嗎？如果看過LZ的博客就會明白，volatile除了保證可見性外，還有就是禁止重排序。所以A線程在寫volatile變量之前所有可見的共享變量，在線程B讀同一個volatile變量後，將立即變得對線程B可見。

volataile的內存語義及其實現

在JMM中，線程之間的通信采用共享內存來實現的。volatile的內存語義是：

當寫一個volatile變量時，JMM會把該線程對應的本地內存中的共享變量值立即刷新到主內存中。
當讀一個volatile變量時，JMM會把該線程對應的本地內存設置為無效，直接從主內存中讀取共享變量

所以volatile的寫內存語義是直接刷新到主內存中，讀的內存語義是直接從主內存中讀取。
那麽volatile的內存語義是如何實現的呢？對於一般的變量則會被重排序，而對於volatile則不能，這樣會影響其內存語義，所以為了實現volatile的內存語義JMM會限制重排序。其重排序規則如下：

翻譯如下：

1. 如果第一個操作為volatile讀，則不管第二個操作是啥，都不能重排序。這個操作確保volatile讀之後的操作不會被編譯器重排序到volatile讀之前；
2. 當第二個操作為volatile寫是，則不管第一個操作是啥，都不能重排序。這個操作確保volatile寫之前的操作不會被編譯器重排序到volatile寫之後；
3. 當第一個操作volatile寫，第二操作為volatile讀時，不能重排序。

volatile的底層實現是通過插入內存屏障，但是對於編譯器來說，發現一個最優布置來最小化插入內存屏障的總數幾乎是不可能的，所以，JMM采用了保守策略。如下：

• 在每一個volatile寫操作前面插入一個StoreStore屏障
• 在每一個volatile寫操作後面插入一個StoreLoad屏障
• 在每一個volatile讀操作後面插入一個LoadLoad屏障
• 在每一個volatile讀操作後面插入一個LoadStore屏障

StoreStore屏障可以保證在volatile寫之前，其前面的所有普通寫操作都已經刷新到主內存中。

StoreLoad屏障的作用是避免volatile寫與後面可能有的volatile讀/寫操作重排序。

LoadLoad屏障用來禁止處理器把上面的volatile讀與下面的普通讀重排序。

LoadStore屏障用來禁止處理器把上面的volatile讀與下面的普通寫重排序。

下面我們就上面那個VolatileTest例子分析下：

public class VolatileTest {
    int i = 0;
    volatile boolean flag = false;
    public void write(){
        i = 2;
        flag = true;
    }

    public void read(){
        if(flag){
            System.out.println("---i = " + i); 
        }
    }
}

上面通過一個例子稍微演示了volatile指令的內存屏障圖例。

volatile的內存屏障插入策略非常保守，其實在實際中，只要不改變volatile寫-讀得內存語義，編譯器可以根據具體情況優化，省略不必要的屏障。如下（摘自方騰飛 《Java並發編程的藝術》）：

public class VolatileBarrierExample {
    int a = 0;
    volatile int v1 = 1;
    volatile int v2 = 2;
    
    void readAndWrite(){
        int i = v1;     //volatile讀
        int j = v2;     //volatile讀
        a = i + j;      //普通讀
        v1 = i + 1;     //volatile寫
        v2 = j * 2;     //volatile寫
    }
}

沒有優化的示例圖如下：

我們來分析上圖有哪些內存屏障指令是多余的

1：這個肯定要保留了

2：禁止下面所有的普通寫與上面的volatile讀重排序，但是由於存在第二個volatile讀，那個普通的讀根本無法越過第二個volatile讀。所以可以省略。

3：下面已經不存在普通讀了，可以省略。

4：保留

5：保留

6：下面跟著一個volatile寫，所以可以省略

7：保留

8：保留

所以2、3、6可以省略，其示意圖如下：

參考資料

1. 方騰飛：《Java並發編程的藝術》

Java內存模型之分析volatile