多线程原理篇（3）-volatile关键字

8.1 几个基本概念

在介绍volatile之前，我们先回顾及介绍几个基本的概念。

8.1.1 内存可见性

在Java内存模型那一章我们介绍了JMM有一个主内存，每个线程有自己私有的工作内存，工作内存中保存了一些变量在主内存的拷贝。

内存可见性，指的是线程之间的可见性，当一个线程修改了共享变量时，另一个线程可以读取到这个修改后的值。

8.1.2 重排序

为优化程序性能，对原有的指令执行顺序进行优化重新排序（Java代码与实际运行的指令顺序不一致）。重排序可能发生在多个阶段，比如编译重排序、CPU重排序等。

8.1.3 happens-before规则

是一个给程序员使用的规则，只要程序员在写代码的时候遵循happens-before规则，JVM就能保证指令在多线程之间的顺序性符合程序员的预期。

8.2 volatile的内存语义

8.2.1 内存可见性

在Java中，volatile关键字有特殊的内存语义。volatile主要有以下两个功能：

• 保证变量的内存可见性
• 禁止volatile变量与普通变量重排序（JSR133提出，Java 5 开始才有这个“增强的volatile内存语义”）

以一段代码分析开始：

public class VolatileDemo {
    boolean flag = true;

    public static void  main(String[] args){
        VolatileDemo volatileDemo = new VolatileDemo();
        new Thread(() -> {
            try {
                volatileDemo.write();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();
        new Thread(() -> volatileDemo.read()).start();
    }

    public void write() throws InterruptedException {
        Thread.sleep(100);
        flag = false;//1
    }

    public void read(){
        int i = 0;
        while (flag){//2
            i = i + 1;
        }
    }
}

　　2优先执行了，程序一直无法退出。1最后休眠时间到了，重新获取CPU时间片，也执行了，但是程序一直无法退出。因为read线程中的flag缓存值为ture。我们加volatile关键字，程序就可以退出了。volatile提供了内存可见性。

　　所谓内存可见性，指的是当一个线程对volatile修饰的变量进行写操作（比如step 1）时，JMM会立即把该线程对应的本地内存中的共享变量的值刷新到主内存；当一个线程对volatile修饰的变量进行读操作（比如step 2）时，JMM会把立即该线程对应的本地内存置为无效，从主内存中读取共享变量的值。

在这一点上，volatile与锁具有相同的内存效果，volatile变量的写和锁的释放具有相同的内存语义，volatile变量的读和锁的获取具有相同的内存语义。

8.2.1 禁止（严格限制）重排序

为了提供一种比锁更轻量级的线程间的通信机制，JSR-133专家组决定增强volatile的内存语义：严格限制编译器和处理器对volatile变量与普通变量的重排序。

什么是内存屏障？硬件层面，内存屏障分两种：读屏障（Load Barrier）和写屏障（Store Barrier）。内存屏障有两个作用：

1. 阻止屏障两侧的指令重排序；
2. 强制把写缓冲区/高速缓存中的脏数据等写回主内存，或者让缓存中相应的数据失效。

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。编译器选择了一个比较保守的JMM内存屏障插入策略，这样可以保证在任何处理器平台，任何程序中都能得到正确的volatile内存语义。这个策略是：

• 在每个volatile写操作前插入一个StoreStore屏障；
• 在每个volatile写操作后插入一个StoreLoad屏障；
• 在每个volatile读操作后插入一个LoadLoad屏障；
• 在每个volatile读操作后再插入一个LoadStore屏障。

再逐个解释一下这几个屏障。注：下述Load代表读操作，Store代表写操作

LoadLoad屏障：对于这样的语句Load1; LoadLoad; Load2，在Load2及后续读取操作要读取的数据被访问前，保证Load1要读取的数据被读取完毕。
StoreStore屏障：对于这样的语句Store1; StoreStore; Store2，在Store2及后续写入操作执行前，这个屏障会吧Store1强制刷新到内存，保证Store1的写入操作对其它处理器可见。
LoadStore屏障：对于这样的语句Load1; LoadStore; Store2，在Store2及后续写入操作被刷出前，保证Load1要读取的数据被读取完毕。
StoreLoad屏障：对于这样的语句Store1; StoreLoad; Load2，在Load2及后续所有读取操作执行前，保证Store1的写入对所有处理器可见。它的开销是四种屏障中最大的（冲刷写缓冲器，清空无效化队列）。在大多数处理器的实现中，这个屏障是个万能屏障，兼具其它三种内存屏障的功能

对于连续多个volatile变量读或者连续多个volatile变量写，编译器做了一定的优化来提高性能，比如：

第一个volatile读;

LoadLoad屏障；

第二个volatile读；

LoadStore屏障

再介绍一下volatile与普通变量的重排序规则:

1. 如果第一个操作是volatile读，那无论第二个操作是什么，都不能重排序；

2. 如果第二个操作是volatile写，那无论第一个操作是什么，都不能重排序；

3. 如果第一个操作是volatile写，第二个操作是volatile读，那不能重排序。

举个例子，我们在案例中step 1，是普通变量的写，step 2是volatile变量的写，那符合第2个规则，这两个steps不能重排序。而step 3是volatile变量读，step 4是普通变量读，符合第1个规则，同样不能重排序。

但如果是下列情况：第一个操作是普通变量读，第二个操作是volatile变量读，那是可以重排序的：

8.3 volatile的用途

从volatile的内存语义上来看，volatile可以保证内存可见性且禁止重排序。

在保证内存可见性这一点上，volatile有着与锁相同的内存语义，所以可以作为一个“轻量级”的锁来使用。但由于volatile仅仅保证对单个volatile变量的读/写具有原子性，而锁可以保证整个临界区代码的执行具有原子性。所以在功能上，锁比volatile更强大；在性能上，volatile更有优势。

在禁止重排序这一点上，volatile也是非常有用的。比如我们熟悉的单例模式，其中有一种实现方式是“双重锁检查”，比如这样的代码：

public class Singleton {

    private static Singleton instance; // 不使用volatile关键字

    // 双重锁检验
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) { // 第7行
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton(); // 第10行
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

　　

如果这里的变量声明不使用volatile关键字，是可能会发生错误的。它可能会被重排序：

instance = new Singleton(); // 第10行

// 可以分解为以下三个步骤
1 memory=allocate();// 分配内存 相当于c的malloc
2 ctorInstanc(memory) //初始化对象
3 s=memory //设置s指向刚分配的地址

// 上述三个步骤可能会被重排序为 1-3-2，也就是：
1 memory=allocate();// 分配内存 相当于c的malloc
3 s=memory //设置s指向刚分配的地址
2 ctorInstanc(memory) //初始化对象

　　

而一旦假设发生了这样的重排序，比如线程A在第10行执行了步骤1和步骤3，但是步骤2还没有执行完。这个时候另一个线程B执行到了第7行，它会判定instance不为空，然后直接返回了一个未初始化完成的instance！

所以JSR-133对volatile做了增强后，volatile的禁止重排序功能还是非常有用的。

总结：1.volatile关键字比较重要，有两个功能：实现内存的可见性和严格限制重排序。重排序有4个内存屏障来实现，store和load组成4个屏障指令，不允许重排序的规则：（1）第一个操作是volatile读的话，第二个操作不论是什么不能重排序；（2）第一个操作是volatile写的话，第二个操作是volatile写/读的都不能重排序；（3）第二个操作是volatile写的话，第一个操作不论什么都不能重排序。

         2.与锁相比，volatile更加轻量级，只对volatile变量的读写具有原子性，锁保证同步块具有原子性，性能上volatile更有优势。

原文地址：http://redspider.group:4000/article/02/8.html