如何理解java volatile

本篇文章給大家分享的是有關如何理解java volatile，小編覺得挺實用的，因此分享給大家學習，希望大家閱讀完這篇文章后可以有所收獲，話不多說，跟著小編一起來看看吧。

volatile的特性

當我們聲明共享變量為volatile后，對這個變量的讀/寫將會很特別。理解volatile特性的一個好方法是：把對volatile變量的單個讀/寫，看成是使用同一個監(jiān)視器鎖對這些單個讀/寫操作做了同步。下面我們通過具體的示例來說明，請看下面的示例代碼：

class VolatileFeaturesExample {
    volatile long vl = 0L;  //使用volatile聲明64位的long型變量

    public void set(long l) {
        vl = l;   //單個volatile變量的寫
    }

    public void getAndIncrement () {
        vl++;    //復合（多個）volatile變量的讀/寫
    }


    public long get() {
        return vl;   //單個volatile變量的讀
    }
}

假設有多個線程分別調(diào)用上面程序的三個方法，這個程序在語意上和下面程序等價：

class VolatileFeaturesExample {
    long vl = 0L;               // 64位的long型普通變量

    public synchronized void set(long l) {     //對單個的普通 變量的寫用同一個監(jiān)視器同步
        vl = l;
    }

    public void getAndIncrement () { //普通方法調(diào)用
        long temp = get();           //調(diào)用已同步的讀方法
        temp += 1L;                  //普通寫操作
        set(temp);                   //調(diào)用已同步的寫方法
    }
    public synchronized long get() { 
    //對單個的普通變量的讀用同一個監(jiān)視器同步
        return vl;
    }
}

如上面示例程序所示，對一個volatile變量的單個讀/寫操作，與對一個普通變量的讀/寫操作使用同一個監(jiān)視器鎖來同步，它們之間的執(zhí)行效果相同。

監(jiān)視器鎖的happens-before規(guī)則保證釋放監(jiān)視器和獲取監(jiān)視器的兩個線程之間的內(nèi)存可見性，這意味著對一個volatile變量的讀，總是能看到（任意線程）對這個volatile變量最后的寫入。

監(jiān)視器鎖的語義決定了臨界區(qū)代碼的執(zhí)行具有原子性。這意味著即使是64位的long型和double型變量，只要它是volatile變量，對該變量的讀寫就將具有原子性。如果是多個volatile操作或類似于volatile++這種復合操作，這些操作整體上不具有原子性。

簡而言之，volatile變量自身具有下列特性：

• 可見性。對一個volatile變量的讀，總是能看到（任意線程）對這個volatile變量最后的寫入。

• 原子性：對任意單個volatile變量的讀/寫具有原子性，但類似于volatile++這種復合操作不具有原子性。

volatile寫-讀建立的happens before關系

上面講的是volatile變量自身的特性，對程序員來說，volatile對線程的內(nèi)存可見性的影響比volatile自身的特性更為重要，也更需要我們?nèi)リP注。

從JSR-133開始，volatile變量的寫-讀可以實現(xiàn)線程之間的通信。

從內(nèi)存語義的角度來說，volatile與監(jiān)視器鎖有相同的效果：volatile寫和監(jiān)視器的釋放有相同的內(nèi)存語義；volatile讀與監(jiān)視器的獲取有相同的內(nèi)存語義。

請看下面使用volatile變量的示例代碼：

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
            ……
        }
    }
}

假設線程A執(zhí)行writer()方法之后，線程B執(zhí)行reader()方法。根據(jù)happens before規(guī)則，這個過程建立的happens before 關系可以分為兩類：

1. 根據(jù)程序次序規(guī)則，1 happens before 2; 3 happens before 4。

2. 根據(jù)volatile規(guī)則，2 happens before 3。

3. 根據(jù)happens before 的傳遞性規(guī)則，1 happens before 4。

上述happens before 關系的圖形化表現(xiàn)形式如下：

在上圖中，每一個箭頭鏈接的兩個節(jié)點，代表了一個happens before 關系。黑色箭頭表示程序順序規(guī)則；橙色箭頭表示volatile規(guī)則；藍色箭頭表示組合這些規(guī)則后提供的happens before保證。

這里A線程寫一個volatile變量后，B線程讀同一個volatile變量。A線程在寫volatile變量之前所有可見的共享變量，在B線程讀同一個volatile變量后，將立即變得對B線程可見。

volatile寫-讀的內(nèi)存語義

volatile寫的內(nèi)存語義如下：

• 當寫一個volatile變量時，JMM會把該線程對應的本地內(nèi)存中的共享變量刷新到主內(nèi)存。

以上面示例程序VolatileExample為例，假設線程A首先執(zhí)行writer()方法，隨后線程B執(zhí)行reader()方法，初始時兩個線程的本地內(nèi)存中的flag和a都是初始狀態(tài)。下圖是線程A執(zhí)行volatile寫后，共享變量的狀態(tài)示意圖：

如上圖所示，在讀flag變量后，本地內(nèi)存B已經(jīng)被置為無效。此時，線程B必須從主內(nèi)存中讀取共享變量。線程B的讀取操作將導致本地內(nèi)存B與主內(nèi)存中的共享變量的值也變成一致的了。

如果我們把volatile寫和volatile讀這兩個步驟綜合起來看的話，在讀線程B讀一個volatile變量后，寫線程A在寫這個volatile變量之前所有可見的共享變量的值都將立即變得對讀線程B可見。

下面對volatile寫和volatile讀的內(nèi)存語義做個總結：

• 線程A寫一個volatile變量，實質上是線程A向接下來將要讀這個volatile變量的某個線程發(fā)出了（其對共享變量所在修改的）消息。

• 線程B讀一個volatile變量，實質上是線程B接收了之前某個線程發(fā)出的（在寫這個volatile變量之前對共享變量所做修改的）消息。

• 線程A寫一個volatile變量，隨后線程B讀這個volatile變量，這個過程實質上是線程A通過主內(nèi)存向線程B發(fā)送消息。

volatile內(nèi)存語義的實現(xiàn)

下面，讓我們來看看JMM如何實現(xiàn)volatile寫/讀的內(nèi)存語義。

前文我們提到過重排序分為編譯器重排序和處理器重排序。為了實現(xiàn)volatile內(nèi)存語義，JMM會分別限制這兩種類型的重排序類型。下面是JMM針對編譯器制定的volatile重排序規(guī)則表：

舉例來說，第三行最后一個單元格的意思是：在程序順序中，當?shù)谝粋€操作為普通變量的讀或寫時，如果第二個操作為volatile寫，則編譯器不能重排序這兩個操作。

從上表我們可以看出：

• 當?shù)诙€操作是volatile寫時，不管第一個操作是什么，都不能重排序。這個規(guī)則確保volatile寫之前的操作不會被編譯器重排序到volatile寫之后。

• 當?shù)谝粋€操作是volatile讀時，不管第二個操作是什么，都不能重排序。這個規(guī)則確保volatile讀之后的操作不會被編譯器重排序到volatile讀之前。

• 當?shù)谝粋€操作是volatile寫，第二個操作是volatile讀時，不能重排序。

為了實現(xiàn)volatile的內(nèi)存語義，編譯器在生成字節(jié)碼時，會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。對于編譯器來說，發(fā)現(xiàn)一個最優(yōu)布置來最小化插入屏障的總數(shù)幾乎不可能，為此，JMM采取保守策略。下面是基于保守策略的JMM內(nèi)存屏障插入策略：

• 在每個volatile寫操作的前面插入一個StoreStore屏障。

• 在每個volatile寫操作的后面插入一個StoreLoad屏障。

• 在每個volatile讀操作的后面插入一個LoadLoad屏障。

• 在每個volatile讀操作的后面插入一個LoadStore屏障。

上述內(nèi)存屏障插入策略非常保守，但它可以保證在任意處理器平臺，任意的程序中都能得到正確的volatile內(nèi)存語義。

下面是保守策略下，volatile寫插入內(nèi)存屏障后生成的指令序列示意圖：

上圖中的LoadLoad屏障用來禁止處理器把上面的volatile讀與下面的普通讀重排序。LoadStore屏障用來禁止處理器把上面的volatile讀與下面的普通寫重排序。

上述volatile寫和volatile讀的內(nèi)存屏障插入策略非常保守。在實際執(zhí)行時，只要不改變volatile寫-讀的內(nèi)存語義，編譯器可以根據(jù)具體情況省略不必要的屏障。下面我們通過具體的示例代碼來說明：

class VolatileBarrierExample {
    int a;
    volatile int v1 = 1;
    volatile int v2 = 2;

    void readAndWrite() {
        int i = v1;           //第一個volatile讀
        int j = v2;           // 第二個volatile讀
        a = i + j;            //普通寫
        v1 = i + 1;          // 第一個volatile寫
        v2 = j * 2;          //第二個 volatile寫
    }

    …                    //其他方法
}

針對readAndWrite()方法，編譯器在生成字節(jié)碼時可以做如下的優(yōu)化：

前文提到過，x86處理器僅會對寫-讀操作做重排序。X86不會對讀-讀，讀-寫和寫-寫操作做重排序，因此在x86處理器中會省略掉這三種操作類型對應的內(nèi)存屏障。在x86中，JMM僅需在volatile寫后面插入一個StoreLoad屏障即可正確實現(xiàn)volatile寫-讀的內(nèi)存語義。這意味著在x86處理器中，volatile寫的開銷比volatile讀的開銷會大很多（因為執(zhí)行StoreLoad屏障開銷會比較大）。

JSR-133為什么要增強volatile的內(nèi)存語義

在JSR-133之前的舊Java內(nèi)存模型中，雖然不允許volatile變量之間重排序，但舊的Java內(nèi)存模型允許volatile變量與普通變量之間重排序。在舊的內(nèi)存模型中，VolatileExample示例程序可能被重排序成下列時序來執(zhí)行：

在舊的內(nèi)存模型中，當1和2之間沒有數(shù)據(jù)依賴關系時，1和2之間就可能被重排序（3和4類似）。其結果就是：讀線程B執(zhí)行4時，不一定能看到寫線程A在執(zhí)行1時對共享變量的修改。

因此在舊的內(nèi)存模型中 ，volatile的寫-讀沒有監(jiān)視器的釋放-獲所具有的內(nèi)存語義。為了提供一種比監(jiān)視器鎖更輕量級的線程之間通信的機制，JSR-133專家組決定增強volatile的內(nèi)存語義：嚴格限制編譯器和處理器對volatile變量與普通變量的重排序，確保volatile的寫-讀和監(jiān)視器的釋放-獲取一樣，具有相同的內(nèi)存語義。從編譯器重排序規(guī)則和處理器內(nèi)存屏障插入策略來看，只要volatile變量與普通變量之間的重排序可能會破壞volatile的內(nèi)存語意，這種重排序就會被編譯器重排序規(guī)則和處理器內(nèi)存屏障插入策略禁止。

由于volatile僅僅保證對單個volatile變量的讀/寫具有原子性，而監(jiān)視器鎖的互斥執(zhí)行的特性可以確保對整個臨界區(qū)代碼的執(zhí)行具有原子性。在功能上，監(jiān)視器鎖比volatile更強大；在可伸縮性和執(zhí)行性能上，volatile更有優(yōu)勢。如果讀者想在程序中用volatile代替監(jiān)視器鎖，請一定謹慎。

以上就是如何理解java volatile，小編相信有部分知識點可能是我們?nèi)粘９ぷ鲿姷交蛴玫降摹ＯＭ隳芡ㄟ^這篇文章學到更多知識。更多詳情敬請關注億速云行業(yè)資訊頻道。