关于Java里面volatile关键字的重排序

比眉伴天荒 2022-03-30 04:12 129阅读 0赞

Java里面volatile关键字主要有两个作用：

（1）可见性

（2）禁止指令重排序

第一条可见性比较容易理解，就是使用volatile修饰的共享变量，如果有一个线程修改了值，其他的线程里面是立即可见的。原理是对volatile变量的读写，都会强制线程操作从主内存。

第二条禁止指令重排序，能够保证局部的代码执行的顺序。假设我们现在有如下的一段代码：

int a=2;
         int b=1;

从顺序上看a应该先执行，而b会后执行，但实际上却不一定是，因为cpu执行程序的时候，为了提高运算效率，所有的指令都是并发的乱序执行，如果a和b两个变量之间没有任何依赖关系，那么有可能是b先执行，而a后执行，因为不存在依赖关系，所以谁先谁后并不影响程序最终的结果。这就是所谓的指令重排序。 ok，接着我们继续分析下面稍加改动后的代码：

int a=2;
          int b=1;
          int c=a+b;

这段代码里，不管a和b如何乱序执行，c的结果都是3，因为c变量依赖a和b变量，所以c变量是不会重排序到a或者b之前，a和b也不会重排到c之后，这其实是由happens-before关系里面的单线程下的as-if-serial语义限制的。

这里面还有一种特殊情况，需要注意一下：

int a = 1;
            int b = 2;
    
            try {
                a = 3;           //A
                b = 1 / 0;       //B
            } catch (Exception e) {
    
            } finally {
                System.out.println("a = " + a);
            }

上面的例子中a和b变量，虽然没有依赖关系，但是在try-catch块里面发生了重排，b先执行，然后发生了异常，那么a的值最终还是3，由JVM保证在重排序发生异常的时候，在catch块里面作相关的特殊处理。这一点需要注意。

在单线程环境下，指令重排序是不会影响程序的最终执行结果的，但是重排序如果发生多线程环境下，就有可能影响程序正常执行，看下面的代码：

public class ReorderDemo1 {
    
    
        private int count=2;
        private boolean flag=false;
        private volatile boolean sync=false;
    
        public void write1()  {
            count=10;
            flag=true;//没有volatile修饰，实际执行顺序，有可能是flag=true先执行
        }
    
        public void read1()  {
            if(flag){
                System.out.print(count); // 有些jvm会打印10，有些jvm会打印2，这是不确定的
            }
        }
    
    
        public void write2() {
            count=10;
            sync=true;// 由于出现了volatile，所以这里禁止重排序
        }
    
        public void read2()  {
            if(sync){
                System.out.print(count); // 在jdk5之后，由volatile保证，count的值总是等于10
            }
    
        }
    
    
    
    
        public static void main(String[] args) {
    
            for(int i=0;i<300;i++){
                //实例化变量
                ReorderDemo1 reorderDemo1=new ReorderDemo1();
                //写线程
                Thread t1=new Thread(()-> { reorderDemo1.write1();});
                //读线程
                Thread t2=new Thread(()-> { reorderDemo1.read1(); });
    
                 t1.start();
                 t2.start();
    
            }
    
    
    
    
        }
    
    
    
    
    }

上面的代码里面，有三个成员变量，其中最后一个是用volatile修饰的，有2对方法：

第一对方法里面：

private int count=2;
        private boolean flag=false;
        private volatile boolean sync=false;
    
        public void write1()  {
            count=10;
            flag=true;//没有volatile修饰，实际执行顺序，有可能是flag=true先执行
        }
    
        public void read1()  {
            if(flag){
                System.out.print(count); // 有些jvm会打印10，有些jvm会打印2，这是不确定的
            }
        }

上面的代码，由于指令会重排序，当线程一里面执行write1方法的flag=true的时候，同时线程2执行了read1 方法，那么count的值是不确定的，可能是10，也可能是2，这个其实和操作系统有很大关系，如果cpu不支持指令重排，那么就不会出现问题，比如在X86的CPU上运行代码测试，可能不会出现多个值，但这不能说明其他的操作系统也不会出现。指令重排序在多线程环境下会带来不确定性，想要正确的使用，需要理解JMM内存模型。

第二对方法里面：

private int count=2;
        private boolean flag=false;
        private volatile boolean sync=false;
        
         public void write2() {
         count=10;
         sync=true;// 由于出现了volatile，所以这里禁止重排序
        }
    
        public void read2()  {
            if(sync){
                System.out.print(count); // 在jdk5之后，由volatile保证，count的值总是等于10
            }
    
        }

注意这里的sync变量是加了volatile修饰，意味着禁止了重排序，第一个线程调用write2方法时候，同样第二个线程在调用read2方法时候，如果sync=true，那么count的值一定是10，有朋友可能会说count变量没有用volatile修饰啊，如何保证100%可见性呢？ 确实在jdk5之前volatile关键字确实存在这种问题，必须都得加volatile修饰，但是在jdk5及以后修复了这个问题，也就是在jsr133里面增强了volatile关键字的语义，volatile变量本身可以看成是一个栅栏，能够保证在其前后的变量也具有volatile语义，同时由于volatile的出现禁止了重排序，所以在多线程下仍然可以得到正确的结果。

总结：

在Java里面除了volatile有禁止重排序的功能，内置锁synchronized和并发包的Lock也都有同样的语义。同步手段解决的主要问题是要保证代码执行的原子性，有序性，可见性。内置锁和J.U.C的锁同时具有这三种功能，而volatile不能保证原子性，所以在必要的时候还需要配合锁一起使用，才能编写出正确的多线程应用。

jsr133详细介绍：[http://www.cs.umd.edu/~pugh/java/memoryModel/jsr-133-faq.html\#volatile][http_www.cs.umd.edu_pugh_java_memoryModel_jsr-133-faq.html_volatile]

[http_www.cs.umd.edu_pugh_java_memoryModel_jsr-133-faq.html_volatile]: http://www.cs.umd.edu/~pugh/java/memoryModel/jsr-133-faq.html#volatile