第八章、volatile

lllllan ... 2022-3-18

Java 多线程
深入浅出多线程

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# 一、基本概念

# 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。

# 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。重排序可能发生在多个阶段，比如编译重排序、CPU重排序等。

# 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。

# 二、volatile的内存语义

volatile 主要功能：

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”）

# 2.1 内存可见性

以一段示例代码开始：

public class VolatileExample {
    int a = 0;
    volatile boolean flag = false;
    
    public void writer() {
        a = 1; // step 1
        flag = true; // step 2
    }
    
    public void reader() {
        if (flag) { // step 3
            System.out.println(a); // step 4
        }
    }
}

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在这段代码里，我们使用 volatile 关键字修饰了一个 boolean 类型的变量 flag。

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 2）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 3）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。

假设在时间线上，线程 A 先执行方法 writer 方法，线程 B 后执行 reader 方法。那必然会有下图：

volatile内存示意图

而如果 flag 变量没有用 volatile 修饰，在 step 2，线程 A 的本地内存里面的变量就不会立即更新到主内存，那随后线程B也同样不会去主内存拿最新的值，仍然使用线程B本地内存缓存的变量的值 a = 0，flag = false。

# 2.2 禁止重排序

在JSR-133之前的旧的Java内存模型中，是允许 volatile 变量与普通变量重排序的。那上面的案例中，可能就会被重排序成下列时序来执行：

线程 A 写 volatile 变量，step 2，设置 flag 为 true；
线程 B 读同一个 volatile，step 3，读取到 flag 为 true；
线程 B 读普通变量，step 4，读取到 a = 0；
线程 A 修改普通变量，step 1，设置 a = 1；

可见，如果 volatile 变量与普通变量发生了重排序，虽然 volatile 变量能保证内存可见性，也可能导致普通变量读取错误。

所以在旧的内存模型中，volatile 的【写-读】就不能与锁的【释放-获取】具有相同的内存语义了。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。

编译器还好说，JVM 是怎么还能限制处理器的重排序的呢？它是通过 内存屏障 来实现的。

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：

阻止屏障两侧的指令重排序；
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。

注意这里的缓存主要指的是CPU缓存，如L1，L2等

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。

大概示意图是这个样子：

内存屏障

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，这个屏障会把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:

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；
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；
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：

// 声明变量
int a = 0; // 声明普通变量
volatile boolean flag = false; // 声明volatile变量

// 以下两个变量的读操作是可以重排序的
int i = a; // 普通变量读
boolean j = flag; // volatile变量读

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# 三、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;
    }
}

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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

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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。

第七章、重排序与happens-before 第九章、synchronized与锁