Java并發(fā)編程，3分分鐘深入分析volatile的實(shí)現(xiàn)原理

fanux 發(fā)布于2019-05-22 18:22 / 1900人閱讀

摘要：一言以蔽之，被修飾的變量能夠保證每個(gè)線程能夠獲取該變量的最新值，從而避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)臟讀的現(xiàn)象。為了實(shí)現(xiàn)內(nèi)存語義時(shí)，編譯器在生成字節(jié)碼時(shí)，會(huì)在指令序列中插入內(nèi)存屏障來禁止特定類型的處理器重排序。

volatile原理volatile簡介

Java內(nèi)存模型告訴我們，各個(gè)線程會(huì)將共享變量從主內(nèi)存中拷貝到工作內(nèi)存，然后執(zhí)行引擎會(huì)基于工作內(nèi)存中的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作處理。線程在工作內(nèi)存進(jìn)行操作后何時(shí)會(huì)寫到主內(nèi)存中？這個(gè)時(shí)機(jī)對(duì)普通變量是沒有規(guī)定的，而針對(duì)volatile修飾的變量給Java 虛擬機(jī)特殊的約定，線程對(duì) volatile變量的修改會(huì)立刻被其他線程所感知，即不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)臟讀的現(xiàn)象，從而保證數(shù)據(jù)的“可見性”。

一言以蔽之，被volatile修飾的變量能夠保證每個(gè)線程能夠獲取該變量的最新值，從而避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)臟讀的現(xiàn)象。

volatile實(shí)現(xiàn)原理

volatile是怎樣實(shí)現(xiàn)了？比如一個(gè)很簡單的Java代碼：

instance = new Instancce() //instance是volatile變量

在生成匯編代碼時(shí)會(huì)在volatile修飾的共享變量進(jìn)行寫操作的時(shí)候會(huì)多出Lock前綴的指令。我們想這個(gè)Lock指令肯定有神奇的地方，那么Lock前綴的指令在多核處理器下會(huì)發(fā)現(xiàn)什么事情了？主要有這兩個(gè)方面的影響：

將當(dāng)前處理器緩存行的數(shù)據(jù)寫回系統(tǒng)內(nèi)存

這個(gè)寫回內(nèi)存的操作會(huì)使得其他CPU里緩存了該內(nèi)存地址的數(shù)據(jù)無效

為了提高處理速度，處理器不直接和內(nèi)存進(jìn)行通信，而是先將系統(tǒng)內(nèi)存的數(shù)據(jù)讀到內(nèi)部緩存（L1，L2或其他）后再進(jìn)行操作，但操作完不知道何時(shí)會(huì)寫到內(nèi)存。如果對(duì)聲明了volatile的變量進(jìn)行寫操作，JVM就會(huì)向處理器發(fā)送一條Lock前綴的指令，將這個(gè)變量所在緩存行的數(shù)據(jù)寫回到系統(tǒng)內(nèi)存。但是，就算寫回到內(nèi)存，如果其他處理器緩存的值還是舊的，再執(zhí)行計(jì)算操作就會(huì)有問題。

在多處理器下，為了保證各個(gè)處理器的緩存是一致的，就會(huì)實(shí)現(xiàn)緩存一致性協(xié)議，每個(gè)處理器通過嗅探在總線上傳播的數(shù)據(jù)來檢查自己緩存的值是不是過期了，當(dāng)處理器發(fā)現(xiàn)自己緩存行對(duì)應(yīng)的內(nèi)存地址被修改，就會(huì)將當(dāng)前處理器的緩存行設(shè)置成無效狀態(tài)，當(dāng)處理器對(duì)這個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改操作的時(shí)候，會(huì)重新從系統(tǒng)內(nèi)存中把數(shù)據(jù)讀到處理器緩存里。因此，經(jīng)過分析我們可以得出如下結(jié)論：

Lock前綴的指令會(huì)引起處理器緩存寫回內(nèi)存

一個(gè)處理器的緩存回寫到內(nèi)存會(huì)導(dǎo)致其他工作內(nèi)存中的緩存失效

當(dāng)處理器發(fā)現(xiàn)本地緩存失效后，就會(huì)從主內(nèi)存中重讀該變量數(shù)據(jù)，即可以獲取當(dāng)前最新值

這樣volatile變量通過這樣的機(jī)制就使得每個(gè)線程都能獲得該變量的最新值。

volatile的happens-before關(guān)系

happens-before中的volatile 變量規(guī)則（Volatile Variable Rule）：對(duì)一個(gè) volatile 變量的寫操作先行發(fā)生于后面對(duì)這個(gè)變量的讀操作。

public class VolatileExample {
    private int a = 0;
    private volatile boolean flag = false;
    public void writer(){
        a = 1;          //1
        flag = true;   //2
    }
    public void reader(){
        if(flag){      //3
            int i = a; //4
        }
    }
}

對(duì)應(yīng)的happens-before關(guān)系如下:

加鎖線程A先執(zhí)行writer方法，然后線程B執(zhí)行reader方法。圖中每一個(gè)箭頭兩個(gè)節(jié)點(diǎn)就代碼一個(gè)happens-before關(guān)系：

黑色的代表根據(jù)程序順序規(guī)則推導(dǎo)出來

紅色的是根據(jù)volatile變量的寫happens-before 于任意后續(xù)對(duì)volatile變量的讀

藍(lán)色的就是根據(jù)傳遞性規(guī)則推導(dǎo)出來的這里的2 happen-before 3，同樣根據(jù)happens-before規(guī)則定義：如果A happens-before B,則A的執(zhí)行結(jié)果對(duì)B可見，并且A的執(zhí)行順序先于B的執(zhí)行順序，我們可以知道操作2執(zhí)行結(jié)果對(duì)操作3來說是可見的，也就是說當(dāng)線程A將volatile變量 flag更改為true后線程B就能夠迅速感知。

volatile的內(nèi)存語義

public class VolatileExample {
    private int a = 0;
    private volatile boolean flag = false;
    public void writer(){
        a = 1;          //1
        flag = true;   //2
    }
    public void reader(){
        if(flag){      //3
            int i = a; //4
        }
    }
}

假設(shè)線程A先執(zhí)行writer方法，線程B隨后執(zhí)行reader方法，初始時(shí)線程的本地內(nèi)存中flag和a都是初始狀態(tài)，下圖是線程A執(zhí)行volatile寫后的狀態(tài)圖：

當(dāng)volatile變量寫后，線程B中本地內(nèi)存中共享變量就會(huì)置為失效的狀態(tài)，因此線程B需要從主內(nèi)存中去讀取該變量的最新值。下圖就展示了線程B讀取同一個(gè)volatile變量的內(nèi)存變化示意圖：

從橫向來看，線程A和線程B之間進(jìn)行了一次通信，線程A在寫volatile變量時(shí)，實(shí)際上就像是給B發(fā)送了一個(gè)消息告訴線程B你現(xiàn)在的值都是舊的了，然后線程B讀這個(gè)volatile變量時(shí)就像是接收了線程A剛剛發(fā)送的消息。既然是舊的了，那線程B該怎么辦了？自然而然就只能去主內(nèi)存去取啦。

volatile的內(nèi)存語義實(shí)現(xiàn)

為了性能優(yōu)化，JMM在不改變正確語義的前提下，會(huì)允許編譯器和處理器對(duì)指令序列進(jìn)行重排序，那如果想阻止重排序要怎么辦了？答案是可以添加內(nèi)存屏障。

四類JMM內(nèi)存屏障：

Java編譯器會(huì)在生成指令系列時(shí)在適當(dāng)?shù)奈恢脮?huì)插入內(nèi)存屏障指令來禁止特定類型的處理器重排序。為了實(shí)現(xiàn)volatile的內(nèi)存語義，JMM會(huì)限制特定類型的編譯器和處理器重排序，JMM會(huì)針對(duì)編譯器制定volatile重排序規(guī)則表：

"NO"表示禁止重排序。為了實(shí)現(xiàn)volatile內(nèi)存語義時(shí)，編譯器在生成字節(jié)碼時(shí)，會(huì)在指令序列中插入內(nèi)存屏障來禁止特定類型的處理器重排序。對(duì)于編譯器來說，發(fā)現(xiàn)一個(gè)最優(yōu)布置來最小化插入屏障的總數(shù)幾乎是不可能的，為此，JMM采取了保守策略：

在每個(gè)volatile寫操作的前面插入一個(gè)StoreStore屏障

在每個(gè)volatile寫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

需要注意的是：volatile寫操作是在前面和后面分別插入內(nèi)存屏障，而volatile讀操作是在后面插入兩個(gè)內(nèi)存屏障。

volatile和synchronized的區(qū)別

volatile本質(zhì)是告訴JVM當(dāng)前變量在寄存器（工作內(nèi)存）中是無效的，需要去主內(nèi)存重新讀?。籹ynchronized是鎖定當(dāng)前變量，只有持有鎖的線程才可以訪問該變量，其他線程都被阻塞直到該線程的變量操作完成；

volatile僅僅能使用在變量級(jí)別；synchronized則可以使用在變量、方法和類級(jí)別；

volatile僅僅能實(shí)現(xiàn)變量修改的可見性，不能保證原子性；而synchronized則可以保證變量修改的可見性和原子性；

volatile不會(huì)造成線程的阻塞；synchronized可能會(huì)造成線程的阻塞；

volatile修飾的變量不會(huì)被編譯器優(yōu)化；synchronized修飾的變量可以被編譯器優(yōu)化。

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