Java面试-volatile的内存语义

灰太狼 2021-07-24 15:20 374阅读 0赞

### 1、volatile的特性 ###

理解volatile特性的一个好办法是把对volatile变量的单个读/写，看成是使用同一个锁对单个读/写操作做了同步。  
****

**代码示例：**

package com.lizba.p1;
 
 /** * * volatile示例 * * * @Author: Liziba * @Date: 2021/6/9 21:34 */
 public class VolatileFeatureExample { 
 
 /** 使用volatile声明64位的long型变量 */
 volatile long v1 = 0l;
 
 /** * 单个volatile写操作 * @param l */
 public void set(long l) { 
 v1 = l;
 }
 
 /** * 复合(多个)volatile读&写 */
 public void getAndIncrement() { 
 v1++;
 }
 
 /** * 单个volatile变量的读 * @return */
 public long get() { 
 return v1;
 }
 
 }

假设有多个线程分别调用上面程序的3个方法，这个程序在语义上和下面程序等价。

package com.lizba.p1;
 
 /** * * synchronized等价示例 * * * @Author: Liziba * @Date: 2021/6/9 21:46 */
 public class SynFeatureExample { 
 
 /** 定义一个64位长度的普通变量 */
 long v1 = 0L;
 
 /** * 使用同步锁对v1变量进行写操作 * @param l */
 public synchronized void set(long l) { 
 v1 = l;
 }
 
 
 /** * 通过同步读和同步写方法对v1进行+1操作 */
 public void getAndIncrement() { 
 long temp = get();
 // v1加一
 temp += 1L;
 set(temp);
 }
 
 /** * 使用同步锁对v1进行读操作 * @return */
 public synchronized long get() { 
 return v1;
 }
 
 }

如上两个程序所示，一个volatile变量的单个读\\写操作，与一个普通变量的读\\写操作都是使用同一个锁来同步，它们之间的执行效果相同。  
**上述代码总结：**

*  **锁的happens-before规则保证释放锁和获取锁的两个线程之间的内存可见性**，这意味着对一个volatile变量的读，**总能看到（任意线程）对这个volatile变量最后的写入。**
 *  **锁的语义决定了临界区代码的执行具有原子性**。这意味着，即使是64位的long型和double型变量，只要它是volatile变量，对该变量的读/写就具有原子性。如果是多个volatile操作或类似于volatile++这种复合操作，这些操作整体上不具备原子性。

**总结volatile特性：**

1.  可见性。对一个volatile变量的读，总是能看到（任意线程）对这个volatile变量最后的写入。
2.  原子性。对任意volatile变量的读/写具有原子性，但类似volatile++这种复合操作不具有原子性。

### 2、volatile写-读建立的happens-before关系 ###

对于程序员来说，我们更加需要关注的是volatile对线程内存的可见性。  
从JDK1.5（JSR-133）开始，volatile变量的写-读可以实现线程之间的通信。从内存语义的角度来说，volatile的写-读与锁的释放-获取有相同的内存效果。

*  volatile的写和锁的释放有相同的内存语义
 *  volatile的读和锁的获取有相同的内存语义

**代码示例：**

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);
 }
 }
 
 }

假设线程A执行writer()方法之后，线程B执行reader()方法。根据happens-before规则，这个过程建立的happens-before关系如下：

1.  根据程序次序规则，1 happens-before 2， 3 happens-before 4。
2.  根据volatile规则，2 happens-before 3。
3.  根据happens-before的传递性规则，1 happens-before 4。

图示上述happens-before关系：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxMTI1MjE5_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

总结：这里A线程写一个volatile变量后，B线程读同一个volatile变量。A线程在写volatile变量之前所有可见的共享变量，在B线程读同一个volatile变量后，将立即对B线程可见。

### 3、volatile写-读的内存语义 ###

#### volatile写的内存语义 ####

当写一个volatile变量时，JMM会把该线程对应的本地内存中的共享变量值刷新到主内存。  
以上面的VolatileExample为例，假设A线程首先执行writer()方法，随后线程B执行reader()方法，初始时两个线程的本地内存中的flag和a都是初始状态。  
**A执行volatile写后，共享变量状态示意图**。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxMTI1MjE5_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]

线程A在写flag变量后，本地内存A中被线程A更新过的两个共享变量的值被刷新到主内存中，此时A的本地内存和主内存中的值是一致的。

#### volatile读的内存语义 ####

当读一个volatile变量时，JMM会把该线程对应的本地内存置为无效。线程接下来将会从主内存中读取共享变量。  
**B执行volatile读后，共享变量的状态示意图。**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxMTI1MjE5_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]

在读flag变量后，本地内存B包含的值已经被置为无效。此时，线程B必须从主内存中重新读取共享变量。线程B的读取操作将导致本地内存B与主内存中的共享变量的值变为一致。

**总结volatile的写和volatile读的内存语义**

1.  线程A写一个volatile变量，实质上是线程A向接下来将要读这个volatile变量的某个线程发出了（其对共享变量所做修改的）消息。
2.  线程B读一个volatile变量，实质上是线程B接收了之前某个线程发出的（在写这个volatile变量之前对共享变量所做修改的）消息。
3.  线程A写一个volatile变量，随后线程B读这个volatile变量，这个过程实质上是线程A通过主内存向线程B发送消息。

### 4、volatile内存语义实现 ###

程序的重排序分为编译器重排序和处理器重排序（我的前面的博文内容有写哈）。为了实现volatile内存语义，JMM会分别禁止这两种类型的重排序。

**volatile重排序规则表**

<table> 
 <thead> 
 <tr> 
 <th>是否能重排序</th> 
 <th>第二个操作</th> 
 <th>第二个操作</th> 
 <th>第二个操作</th> 
 </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td>第一个操作</td> 
 <td>普通读/写</td> 
 <td>volatile读</td> 
 <td>volatile写</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>普通读/写</td> 
 <td></td> 
 <td></td> 
 <td>NO</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>volatile读</td> 
 <td>NO</td> 
 <td>NO</td> 
 <td>NO</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>volatile写</td> 
 <td></td> 
 <td>NO</td> 
 <td>NO</td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

上图举例：第一行最后一个单元格意思是，在程序中第一个操作为普通读/写时，如果第二个操作为volatile写，则编译器不能重排序。

**总结上图：**

*  第二个操作是volatile写时，都不能重排序。确保volatile写之前的操作不会被编译器重排序到volatile之后
 *  第一个操作为volatile读时，都不能重排序。确保volatile读之后的操作不会被编译器重排序到volatile之前
 *  第一个操作为volatile写，第二个操作为volatile读时，不能重排序。

为了实现volatile的内存语义，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。

**JMM采取的是保守策略内存屏障插入策略，如下：**

*  在每个volatile写操作屏障前面插入一个StoreStore屏障。
 *  在每个volatile写操作的后面插入一个StoreLoad屏障
 *  在每个volatile读操作的后面插入一个LoadLoad屏障。
 *  在每个volatile读操作的后面插入一个LoadStore屏障。

保守策略可以保证在任意处理器平台上，任意程序中都能得到正确的volatile内存语义。

**保守策略下，volatile写插入内存屏障后生成的指令序列图：**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxMTI1MjE5_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 3]

**解释：**  
StoreStore屏障可以保证在volatile写之前，其前面所有普通写操作已经对任意处理器可见了。这是因为StoreStore屏障将保障上面所有普通写在volatile写之前刷新到主内存。

**保守策略下，volatile读插入内存屏障后生成的指令序列图：**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxMTI1MjE5_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 4]

**解释：**  
LoadLoad屏障用来禁止处理器把上面的volatile读与下面的**普通读重排序**。LoadStore屏障用来禁止处理器把上面的volatile读与下面的**普通写重排序。**  
****

上述volatile写和volatile读的内存屏障插入策略非常保守。在实际执行时，只要不改变volatile写-读的内存语义，编译器可以根据具体情况省略不必要的屏障。  
**代码示例：**

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() { 
 // 第一个volatile读
 int i = v1;
 // 第二个volatile读
 int j = v2;
 // 普通写
 a = i + j;
 // 第一个volatile写
 v1 = i + 1;
 // 第二个volatile写
 v2 = j * 2;
 }
 
 // ... 其他方法
 
 }

**针对VolatileBarrierExample的readAndWrite()，编译器生成字节码时可以做如下优化：**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxMTI1MjE5_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 5]

注意：最后的StoreLoad屏障无法省略。因为第二个volatile写之后，程序return。此时编译器无法准确断定后面是否会有volatile读写操作，为了安全起见，编译器通常会在这里插入一个StoreLoad屏障。  
上面的优化可以针对任意处理器平台，但是由于不同的处理器有不同的“松紧度”的处理器内存模型，内存屏障的插入还可以根据具体的处理器内存模型继续优化。

**X86处理器平台优化**  
X86处理器仅会对写-读操作做重排序。X86不会对读-读、读-写和写-写重排序，因此X86处理器会省略掉这3种操作类型对应的内存屏障。在X86平台中，JMM仅需要在volatile写后插入一个StoreLoad屏障即可正确实现volatile写-读内存语义。同时这样意味着X86处理器中，volatile写的开销会远远大于读的开销。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxMTI1MjE5_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 6]

### 5、volatile和锁的比较 ###

**功能上：**

*  锁比volatile更强大

**可伸缩性和执行性能上：**

*  volatile更具有优势

**文章总结至《Java并发编程艺术》，下篇总结“锁的内存语义”，敬请关注。**

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