Java內(nèi)存模型（四）volatile的內(nèi)存語(yǔ)義

1、Volatile的特性

理解Volatile特性的一個(gè)好辦法是把對(duì)volatile變量的單個(gè)讀/寫(xiě)，看成是使用同一個(gè)鎖對(duì)單個(gè)讀/寫(xiě)操作做了同步。

代碼示例：

package com.lizba.p1; /** *

* volatile示例 *

* * @Author: Liziba * @Date: 2021/6/9 21:34 */ public class VolatileFeatureExample { /** 使用volatile聲明64位的long型變量 */ volatile long v1 = 0l; /** * 單個(gè)volatile寫(xiě)操作 * @param l */ public void set(long l) { v1 = l; } /** * 復(fù)合(多個(gè))volatile讀&寫(xiě) */ public void getAndIncrement() { v1++; } /** * 單個(gè)volatile變量的讀 * @return */ public long get() { return v1; } }

假設(shè)有多個(gè)線程分別調(diào)用上面程序的3個(gè)方法，這個(gè)程序在語(yǔ)義上和下面程序等價(jià)。

package com.lizba.p1; /** *

* synchronized等價(jià)示例 *

* * @Author: Liziba * @Date: 2021/6/9 21:46 */ public class SynFeatureExample { /** 定義一個(gè)64位長(zhǎng)度的普通變量 */ long v1 = 0L; /** * 使用同步鎖對(duì)v1變量進(jìn)行寫(xiě)操作 * @param l */ public synchronized void set(long l) { v1 = l; } /** * 通過(guò)同步讀和同步寫(xiě)方法對(duì)v1進(jìn)行+1操作 */ public void getAndIncrement() { long temp = get(); // v1加一 temp += 1L; set(temp); } /** * 使用同步鎖對(duì)v1進(jìn)行讀操作 * @return */ public synchronized long get() { return v1; } }

如上兩個(gè)程序所示，一個(gè)volatile變量的單個(gè)讀\寫(xiě)操作，與一個(gè)普通變量的讀\寫(xiě)操作都是使用同一個(gè)鎖來(lái)同步，它們之間的執(zhí)行效果相同。

上述代碼總結(jié)：

鎖的happens-before規(guī)則保證釋放鎖和獲取鎖的兩個(gè)線程之間的內(nèi)存可見(jiàn)性，這意味著對(duì)一個(gè)volatile變量的讀，總能看到（任意線程）對(duì)這個(gè)volatile變量最后的寫(xiě)入。

鎖的語(yǔ)義決定了臨界區(qū)代碼的執(zhí)行具有原子性。這意味著，即使是64位的long型和double型變量，只要它是volatile變量，對(duì)該變量的讀/寫(xiě)就具有原子性。如果是多個(gè)volatile操作或類似于volatile++這種復(fù)合操作，這些操作整體上不具備原子性。

總結(jié)volatile特性：

可見(jiàn)性。對(duì)一個(gè)volatile變量的讀，總是能看到（任意線程）對(duì)這個(gè)volatile變量最后的寫(xiě)入。

原子性。對(duì)任意volatile變量的讀/寫(xiě)具有原子性，但類似volatile++這種復(fù)合操作不具有原子性。

2、volatile寫(xiě)-讀建立的happens-before關(guān)系

對(duì)于程序員來(lái)說(shuō)，我們更加需要關(guān)注的是volatile對(duì)線程內(nèi)存的可見(jiàn)性。

從JDK1.5（JSR-133）開(kāi)始，volatile變量的寫(xiě)-讀可以實(shí)現(xiàn)線程之間的通信。從內(nèi)存語(yǔ)義的角度來(lái)說(shuō)，volatile的寫(xiě)-讀與鎖的釋放-獲取有相同的內(nèi)存效果。

volatile的寫(xiě)和鎖的釋放有相同的內(nèi)存語(yǔ)義

volatile的讀和鎖的獲取有相同的內(nèi)存語(yǔ)義

代碼示例：

package com.lizba.p1; /** *

* *

* * @Author: Liziba * @Date: 2021/6/9 22:23 */ public class VolatileExample { int a = 0; volatile boolean flag = false; public void writer() { a = 1; // 1 flag = true; // 2 } public void reader() { if (flag) { // 3 int i = a; // 4 System.out.println(i); } } }

假設(shè)線程A執(zhí)行writer()方法之后，線程B執(zhí)行reader()方法。根據(jù)happens-before規(guī)則，這個(gè)過(guò)程建立的happens-before關(guān)系如下：

根據(jù)程序次序規(guī)則，1 happens-before 2， 3 happens-before 4。

根據(jù)volatile規(guī)則，2 happens-before 3。

根據(jù)happens-before的傳遞性規(guī)則，1 happens-before 4。

圖示上述happens-before關(guān)系：

總結(jié)：這里A線程寫(xiě)一個(gè)volatile變量后，B線程讀同一個(gè)volatile變量。A線程在寫(xiě)volatile變量之前所有可見(jiàn)的共享變量，在B線程讀同一個(gè)volatile變量后，將立即對(duì)B線程可見(jiàn)。

3、volatile寫(xiě)-讀的內(nèi)存語(yǔ)義

當(dāng)寫(xiě)一個(gè)volatile變量時(shí)，JMM會(huì)把該線程對(duì)應(yīng)的本地內(nèi)存中的共享變量值刷新到主內(nèi)存。

以上面的VolatileExample為例，假設(shè)A線程首先執(zhí)行writer()方法，隨后線程B執(zhí)行reader()方法，初始時(shí)兩個(gè)線程的本地內(nèi)存中的flag和a都是初始狀態(tài)。

A執(zhí)行volatile寫(xiě)后，共享變量狀態(tài)示意圖。

線程A在寫(xiě)flag變量后，本地內(nèi)存A中被線程A更新過(guò)的兩個(gè)共享變量的值被刷新到主內(nèi)存中，此時(shí)A的本地內(nèi)存和主內(nèi)存中的值是一致的。

當(dāng)讀一個(gè)volatile變量時(shí)，JMM會(huì)把該線程對(duì)應(yīng)的本地內(nèi)存置為無(wú)效。線程接下來(lái)將會(huì)從主內(nèi)存中讀取共享變量。

B執(zhí)行volatile讀后，共享變量的狀態(tài)示意圖。

在讀flag變量后，本地內(nèi)存B包含的值已經(jīng)被置為無(wú)效。此時(shí)，線程B必須從主內(nèi)存中重新讀取共享變量。線程B的讀取操作將導(dǎo)致本地內(nèi)存B與主內(nèi)存中的共享變量的值變?yōu)橐恢隆?/p>

總結(jié)volatile的寫(xiě)和volatile讀的內(nèi)存語(yǔ)義

線程A寫(xiě)一個(gè)volatile變量，實(shí)質(zhì)上是線程A向接下來(lái)將要讀這個(gè)volatile變量的某個(gè)線程發(fā)出了（其對(duì)共享變量所做修改的）消息。

線程B讀一個(gè)volatile變量，實(shí)質(zhì)上是線程B接收了之前某個(gè)線程發(fā)出的（在寫(xiě)這個(gè)volatile變量之前對(duì)共享變量所做修改的）消息。

線程A寫(xiě)一個(gè)volatile變量，隨后線程B讀這個(gè)volatile變量，這個(gè)過(guò)程實(shí)質(zhì)上是線程A通過(guò)主內(nèi)存向線程B發(fā)送消息。

4、volatile內(nèi)存語(yǔ)義實(shí)現(xiàn)

程序的重排序分為編譯器重排序和處理器重排序（我的前面的博文內(nèi)容有寫(xiě)哈）。為了實(shí)現(xiàn)volatile內(nèi)存語(yǔ)義，JMM會(huì)分別禁止這兩種類型的重排序。

volatile重排序規(guī)則表

是否能重排序

第二個(gè)操作

第一個(gè)操作

普通讀/寫(xiě)

volatile讀

volatile寫(xiě)

普通讀/寫(xiě)

NO

volatile讀

NO

NO

NO

volatile寫(xiě)

NO

NO

上圖舉例：第一行最后一個(gè)單元格意思是，在程序中第一個(gè)操作為普通讀/寫(xiě)時(shí)，如果第二個(gè)操作為volatile寫(xiě)，則編譯器不能重排序。

總結(jié)上圖：

第二個(gè)操作是volatile寫(xiě)時(shí)，都不能重排序。確保volatile寫(xiě)之前的操作不會(huì)被編譯器重排序到volatile之后

第一個(gè)操作為volatile讀時(shí)，都不能重排序。確保volatile讀之后的操作不會(huì)被編譯器重排序到volatile之前

第一個(gè)操作為volatile寫(xiě)，第二個(gè)操作為volatile讀時(shí)，不能重排序。

為了實(shí)現(xiàn)volatile的內(nèi)存語(yǔ)義，編譯器在生成字節(jié)碼時(shí)，會(huì)在指令序列中插入內(nèi)存屏障來(lái)禁止特定類型的處理器重排序。

JMM采取的是保守策略內(nèi)存屏障插入策略，如下：

在每個(gè)volatile寫(xiě)操作屏障前面插入一個(gè)StoreStore屏障。

在每個(gè)volatile寫(xiě)操作的后面插入一個(gè)StoreLoad屏障

在每個(gè)volatile讀操作的后面插入一個(gè)LoadLoad屏障。

在每個(gè)volatile讀操作的后面插入一個(gè)LoadStore屏障。

保守策略可以保證在任意處理器平臺(tái)上，任意程序中都能得到正確的volatile內(nèi)存語(yǔ)義。

保守策略下，volatile寫(xiě)插入內(nèi)存屏障后生成的指令序列圖：

解釋：

StoreStore屏障可以保證在volatile寫(xiě)之前，其前面所有普通寫(xiě)操作已經(jīng)對(duì)任意處理器可見(jiàn)了。這是因?yàn)镾toreStore屏障將保障上面所有普通寫(xiě)在volatile寫(xiě)之前刷新到主內(nèi)存。

保守策略下，volatile讀插入內(nèi)存屏障后生成的指令序列圖：

解釋：

LoadLoad屏障用來(lái)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(lái)禁止處理器把上面的volatile讀與下面的普通寫(xiě)重排序。

上述volatile寫(xiě)和volatile讀的內(nèi)存屏障插入策略非常保守。在實(shí)際執(zhí)行時(shí)，只要不改變volatile寫(xiě)-讀的內(nèi)存語(yǔ)義，編譯器可以根據(jù)具體情況省略不必要的屏障。

代碼示例：

package com.lizba.p1; /** *

* volatile屏障示例 *

* * @Author: Liziba * @Date: 2021/6/9 23:48 */ public class VolatileBarrierExample { int a; volatile int v1 = 1; volatile int v2 = 2; void readAndWrite() { // 第一個(gè)volatile讀 int i = v1; // 第二個(gè)volatile讀 int j = v2; // 普通寫(xiě) a = i + j; // 第一個(gè)volatile寫(xiě) v1 = i + 1; // 第二個(gè)volatile寫(xiě) v2 = j * 2; } // ... 其他方法 }

針對(duì)VolatileBarrierExample的readAndWrite()，編譯器生成字節(jié)碼時(shí)可以做如下優(yōu)化：

注意：最后的StoreLoad屏障無(wú)法省略。因?yàn)榈诙€(gè)volatile寫(xiě)之后，程序return。此時(shí)編譯器無(wú)法準(zhǔn)確斷定后面是否會(huì)有volatile讀寫(xiě)操作，為了安全起見(jiàn)，編譯器通常會(huì)在這里插入一個(gè)StoreLoad屏障。

上面的優(yōu)化可以針對(duì)任意處理器平臺(tái)，但是由于不同的處理器有不同的“松緊度”的處理器內(nèi)存模型，內(nèi)存屏障的插入還可以根據(jù)具體的處理器內(nèi)存模型繼續(xù)優(yōu)化。

X86處理器平臺(tái)優(yōu)化

X86處理器僅會(huì)對(duì)寫(xiě)-讀操作做重排序。X86不會(huì)對(duì)讀-讀、讀-寫(xiě)和寫(xiě)-寫(xiě)重排序，因此X86處理器會(huì)省略掉這3種操作類型對(duì)應(yīng)的內(nèi)存屏障。在X86平臺(tái)中，JMM僅需要在volatile寫(xiě)后插入一個(gè)StoreLoad屏障即可正確實(shí)現(xiàn)volatile寫(xiě)-讀內(nèi)存語(yǔ)義。同時(shí)這樣意味著X86處理器中，volatile寫(xiě)的開(kāi)銷會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于讀的開(kāi)銷。

5、volatile和鎖的比較

功能上：

鎖比volatile更強(qiáng)大

可伸縮性和執(zhí)行性能上：

volatile更具有優(yōu)勢(shì)

文章總結(jié)至《Java并發(fā)編程藝術(shù)》，下篇總結(jié)“鎖的內(nèi)存語(yǔ)義”，敬請(qǐng)關(guān)注。

Java

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