大雄的門線傳感器
大雄的公司最近在給國際足球協會研制一款門線傳感器。這可是一個大單，組織特地安排了大雄作為首席程序員，來開發這款軟件。
需求很簡單，傳感器需要在皮球越過門線的時候，給裁判身上的耳麥發送消息，告訴裁判球進了。
“So easy”，大雄四兩撥千斤地寫了一個進球通知線程：
public class GoalNotifier implements Runnable {
public boolean goal = false;
public boolean isGoal() {
return goal;
}
public void setGoal(boolean goal) {
this.goal = goal;
}
@Override
public void run() {
while (true) {
if (isGoal()) {
System.out.println("Goal !!!!!!");
// Tell the referee the ball is in.
// ...
// reset goal flag
setGoal(false);
}
}
}
}
“只要在比賽一開始就啟動這個線程，然后當球越過球門線的時候，調用我的setGoal()方法，把進球標志goal設置成true就OK了”，大雄對著投影里的代碼，跟產品經理胖虎講解著自己偉大的設計。
“很棒！代碼寫的非常簡潔，設計非常優雅，連我都看不出有什么Bug。靜香，不用浪費時間測試了，直接上線吧，時間就是金錢，我們要敢在別的競爭對手之前，推出這款產品！”，胖虎激動的說，唾沫橫飛。
“好的，我也相信大雄的能力！”，靜香含情脈脈的看著大雄，眼里都是崇拜。
Oop! Bug!
很快，大雄的門線傳感器上線了。英格蘭足協老總約翰是個很喜歡新科技的人，他迫不及待地想把這項技術推廣到他的國家。
這天，有一場讓世界矚目的友誼賽——曼聯傳奇隊 vs 阿森納傳奇隊。“把我們剛剛買過來的門線技術用上去，讓這群老家伙見識一下什么是高科技！”，約翰說。
比賽開始，剛開場，只見魯尼把球往旁邊一撥，貝克漢姆就順勢一腳圓月彎刀，皮球劃出一道美麗的弧線，飛過大半個足球場，阿森納門將始料不及，只能目送皮球應聲入網！
這個過程之迅猛，只能用下面這段代碼來描述了：
public class Game {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// Game begun! Init goalNotifier thread
GoalNotifier goalNotifier = new GoalNotifier();
Thread goalNotifierThread = new Thread(goalNotifier);
goalNotifierThread.start();
// After 3s
Thread.sleep(3000);
// Goal !!!
goalNotifier.setGoal(true);
}
}
就在曼聯隊隊員抱在一起慶祝的時候，裁判跑了過來，宣布進球無效，原因是門線傳感器沒有提示他進球了。。。
“What ???”，貝克漢姆一臉懵逼。。。
“大雄，怎么回事？？？”，約翰氣沖沖的對旁邊的大雄說。
“啊，難道是線程沒起來嗎？”，大雄也是一臉懵逼，“我加了日志的，看一下后臺就知道了！”
于是大雄登錄了后臺服務器，查看了日志信息：
“啊，一行日志都沒有。。。”，大雄很慌，“看來只能求助哆啦了。。。”
大雄趕緊視頻了正在日本度假的哆啦，視頻里，哆啦一邊喝著大阪清酒，一邊看著大雄的代碼，大概過了十秒鐘，突然掛斷了視頻。
“難道連哆啦也沒有辦法了。。”，就在大雄絕望的時候，他突然收到哆啦發來的信息，打開一看，里面就一個詞：
volatile
“啊，難道是它。。。”，來不及想太多了，貝克漢姆隨時都會再進球，“不能讓我貝失望啊”，大雄趕緊改了一行代碼：
public class GoalNotifier implements Runnable {
// public boolean goal = false;
public volatile boolean goal = false;
...
剛改完代碼，這邊曼聯隊就得到一個禁區外任意球的機會，貝克漢姆一記招牌的圓月彎刀，皮球直掛死角！不過這次，大家都沒慶祝，而是一致看向了裁判，全場鴉雀無聲。。。
突然，主席臺那里，有一個像逗比一樣的青年，大聲的吼著，“Yeah!!! 日志打印出來了！！！”，聲音之大，響徹全場。
過了大概兩秒鐘，人們才看到裁判把手指向了中圈，示意進球有效。。。
volatile和Java內存模型
“為什么把goal變量加上volatile修飾符，問題就解決了呢？”，帶著這個疑問，大雄開始研究了起來。漸漸的，他認識到，看Java代碼，不能只看表象，還要透過Java虛擬機，去看透本質。從JavaSE到JVM，這是一場認知的躍遷。
首先要解決的問題是，不加volatile之前，main函數明明調用了setGoal()方法，把goal改成了true，可為什么GoalNotifier線程里的goal還是false？
答案是，主線程里調用setGoal()方法修改的goal，和GoalNotifier線程里的goal，是兩個副本。
What??? 變量還有副本？
單看代碼，自然是看不出“副本”的，我們必須剝開代碼這層皮，到Java虛擬機里頭去看看。
在介紹JVM中的“副本”之前，我們先來簡單聊聊物理機的“副本”，因為JVM的副本和物理機的副本很像。
計算機，相比于處理器的運算速度，IO操作的速度往往有幾個數量級的差距，因此像下面這段常見的++運算：
int count = 0;
...
count ++;
如果計算機把count的值存儲在內存中，那么每次++操作，就有一次從內存中讀取i的值的操作，以及一次把i的值加1的操作，別忘了，還有一次把i的值寫進去內存的操作：
T(一次循環) = T(讀IO) + T(+1運算) + T(寫IO)
而IO操作的速度往往比運算速度多幾個數量級，所以：
T(一次循環) ≈ T(讀IO) + T(寫IO)
顯然，IO操作的速度嚴重拖后腿了，不管運算速度再快，只要IO操作還在，這個++操作的速度就永遠由IO操作的速度決定。
我們人類自然不允許這樣的情況發生，因此我們在處理器和內存之間，引入了讀寫速度接近處理器運算速度的一層高速緩存：
這樣，在上面的++操作里面，count變量只有在初始化的時候，需要寫入主內存，接著，count就被從主內存拷貝到處理器的高速緩存中，下次再想對它執行++操作時，直接從高速緩存中讀取就可以了，++操作執行完之后，也不需要馬上同步到主內存。
雖然各種平臺都會有高速緩存和主內存，但是不同平臺的內存模型并不完全相同。這也就導致了像C/C++這種直接使用物理機內存模型的編程語言，有時候一份代碼在一個平臺上可以正常運行，去到另一個平臺就掛了，所以需要“面向平臺”編程。而Java，正如廣告語說的，“Write once, run anywhere”，相同的一份代碼，去到哪個平臺都可以直接拿過去用。
為什么Java這么神奇呢？這自然是JVM的功勞，你下載JDK的時候，會讓你選擇是Windows還是Linux的。使用不同平臺的JDK，最大的差異就是JVM了，相同的一份代碼，Windows版的JVM幫你把代碼翻譯成Windows系統能識別的機器語言，Linux版的JVM則翻譯成Linux的語言。
JVM幫你屏蔽了不同平臺直接的差異。
自然的，對于物理機的內存模型，JVM也要進行“介入”，我們編寫的Java代碼，是不會直接去操作物理機的內存的，而是去操作JVM定義的Java內存模型（Java Memory Model, JMM），再通過JMM去操作物理機的內存。
Java的內存模型和上面講的物理機的內存模型非常類似：
現在再回過頭來看大雄碰到的問題：main函數明明調用了setGoal()方法，把goal改成了true，可為什么GoalNotifier線程里的goal還是false？
答案已經很明確了，這里面有兩個線程，main函數所在的是主線程和GoalNotifier線程，這兩個線程都分別從主內存從拷貝了一個goal變量的副本，所以當main函數調用setGoal()方法修改goal時，修改的其實是自己線程工作空間上的那個副本goal，對主內存的goal沒有影響，對GoalNotifier線程的goal副本更加沒有影響，GoalNotifier線程自然就感知不到goal變成true了。
那么，要怎樣才能讓GoalNotifier線程，能夠感知到main函數修改了goal呢？
很簡單嘛，讓main函數修改了goal之后主動同步到主內存，并且讓GoalNotifier線程在讀取goal的之前，主動從主內存去取goal，事實上，這就是volatile的原理。
volatile的內幕
那么volatile是如何讓修改的變量立刻同步到主內存的呢？
同樣，單看代碼是看不出來的，volatile只是我們告訴JVM的一個標志，那么JVM對于有volatile和沒有volatile的代碼，在翻譯成機器指令時，會有什么不同呢？
有同學會建議用javap命令反匯編查看一下，如果你也這么想，那現在我直接告訴你，不可以，至于為什么，你可以先自行研究，我將在后面單獨用一篇文章討論。
在這里我們要使用JIT級別的反匯編命令，原因同樣不在這里贅述。下面簡單介紹一下方法。
加入如下虛擬機參數：
-XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -Xcomp -XX:+PrintAssembly -XX:CompileCommand=compileonly,*GoalNotifier.setGoal
-XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX:+PrintAssembly：開啟JIT反匯編
-Xcomp：讓虛擬機以編譯模式執行代碼，使得JIT編譯可以立即觸發
-XX:CompileCommand=compileonly,*GoalNotifier.setGoal：只反匯編GoalNotifier的setGoal方法
然后執行兩次代碼，一次加入volatile修飾符，一次不加，把兩次控制臺打印的匯編語言，放到文件對比工具上對比一下，打印的信息很多，但是通過文件對比工具，我們可以很清楚的看到，加了volatile的代碼中，多了一行代碼：
這行“lock add dword ptr”的代碼是干什么用的呢？關鍵在于lock，這個lock不是指令，而是指令前綴，我對匯編語言不熟悉，這里借用《深入學習Java虛擬機》里的解釋：“lock的作用是使得本CPU的Cache寫入內存，同時使其他CPU的Cache無效”，其實也就是我們上面講的，將修改后的變量主動同步到主內存。
加了虛擬機參數后，運行的時候你可能會看到錯誤提示，別慌，很容易解決。另外，我把我做實驗生成的兩份匯編語言以及其他代碼上傳到Github了，有興趣的同學可以下載下來研究。
總結
對于volatile這個關鍵字，可能大家都聽過很多遍，但是由于實際中很少用到，所以大多不太了解其背后的原理。這次通過對volatile的介紹，順帶講解了Java內存模型，同時也看到了Java虛擬機在Java中的扮演的地位，還是那句話，看Java代碼，不能只看表象，還要透過Java虛擬機，去看透本質。從JavaSE到JVM，這是一場認知的躍遷。
這篇文章與其說是講volatile，不如說是講JVM。對volatile的介紹也只提到了它在可見性上的作用，volatile的另一個作用——禁止指令重排，并沒有提及，畢竟指令重排是個很高深的家伙，我也將在后面的文章中和大家一起探討。
祝大家春節快樂！
