徹底理解volatile，領(lǐng)悟其中奧妙

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1. volatile簡介

在上一篇文章中我們深入理解了java關(guān)鍵字synchronized，我們知道在java中還有一大神器就是關(guān)鍵volatile，可以說是和synchronized各領(lǐng)風(fēng)騷，其中奧妙，我們來共同探討下。

通過上一篇的文章我們了解到synchronized是阻塞式同步，在線程競爭激烈的情況下會(huì)升級(jí)為重量級(jí)鎖。而volatile就可以說是java虛擬機(jī)提供的最輕量級(jí)的同步機(jī)制。但它同時(shí)不容易被正確理解，也至于在并發(fā)編程中很多程序員遇到線程安全的問題就會(huì)使用synchronized。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”。

現(xiàn)在我們有了一個(gè)大概的印象就是：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。

2. 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（具體的大家可以使用一些工具去看一下，這里我就只把結(jié)果說出來）。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：

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

2. 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。所以，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：

1. Lock前綴的指令會(huì)引起處理器緩存寫回內(nèi)存；

2. 一個(gè)處理器的緩存回寫到內(nèi)存會(huì)導(dǎo)致其他處理器的緩存失效；

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

這樣針對(duì)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。

3. volatile的happens-before關(guān)系

經(jīng)過上面的分析，我們已經(jīng)知道了volatile變量可以通過緩存一致性協(xié)議保證每個(gè)線程都能獲得最新值，即滿足數(shù)據(jù)的“可見性”。我們繼續(xù)延續(xù)上一篇分析問題的方式（我一直認(rèn)為思考問題的方式是屬于自己，也才是最重要的，也在不斷培養(yǎng)這方面的能力），我一直將并發(fā)分析的切入點(diǎn)分為兩個(gè)核心，三大性質(zhì)。兩大核心：JMM內(nèi)存模型（主內(nèi)存和工作內(nèi)存）以及happens-before；三條性質(zhì)：原子性，可見性，有序性（關(guān)于三大性質(zhì)的總結(jié)在以后得文章會(huì)和大家共同探討）。廢話不多說，先來看兩個(gè)核心之一：volatile的happens-before關(guān)系。

在六條happens-before規(guī)則中有一條是：volatile變量規(guī)則：對(duì)一個(gè)volatile域的寫，happens-before于任意后續(xù)對(duì)這個(gè)volatile域的讀。下面我們結(jié)合具體的代碼，我們利用這條規(guī)則推導(dǎo)下：

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
????????}
????}
}

上面的實(shí)例代碼對(duì)應(yīng)的happens-before關(guān)系如下圖所示：

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，而藍(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。

4. volatile的內(nèi)存語義

還是按照兩個(gè)核心的分析方式，分析完happens-before關(guān)系后我們現(xiàn)在就來進(jìn)一步分析volatile的內(nèi)存語義（按照這種方式去學(xué)習(xí)，會(huì)不會(huì)讓大家對(duì)知識(shí)能夠把握的更深，而不至于不知所措，如果大家認(rèn)同我的這種方式，不妨給個(gè)贊，小弟在此謝過，對(duì)我是個(gè)鼓勵(lì)）。還是以上面的代碼為例，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再需要讀取從主內(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。

好的，我們現(xiàn)在兩個(gè)核心：happens-before以及內(nèi)存語義現(xiàn)在已經(jīng)都了解清楚了。是不是還不過癮，突然發(fā)現(xiàn)原來自己會(huì)這么愛學(xué)習(xí)（微笑臉），那我們下面就再來一點(diǎn)干貨----volatile內(nèi)存語義的實(shí)現(xiàn)。

4.1 volatile的內(nèi)存語義實(shí)現(xiàn)

我們都知道，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。

內(nèi)存屏障

JMM內(nèi)存屏障分為四類見下圖，

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：

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

2. 在每個(gè)volatile寫操作的后面插入一個(gè)StoreLoad屏障；

3. 在每個(gè)volatile讀操作的后面插入一個(gè)LoadLoad屏障；

4. 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

StoreStore屏障：禁止上面的普通寫和下面的volatile寫重排序；

StoreLoad屏障：防止上面的volatile寫與下面可能有的volatile讀/寫重排序

LoadLoad屏障：禁止下面所有的普通讀操作和上面的volatile讀重排序

LoadStore屏障：禁止下面所有的普通寫操作和上面的volatile讀重排序

下面以兩個(gè)示意圖進(jìn)行理解，圖片摘自相當(dāng)好的一本書《java并發(fā)編程的藝術(shù)》。

5. 一個(gè)示例

我們現(xiàn)在已經(jīng)理解volatile的精華了，文章開頭的那個(gè)問題我想現(xiàn)在我們都能給出答案了。更正后的代碼為：

public?class?VolatileDemo?{
????private?static?volatile?boolean?isOver?=?false;

????public?static?void?main(String[]?args)?{
????????Thread?thread?=?new?Thread(new?Runnable()?{
????????????@Override
????????????public?void?run()?{
????????????????while?(!isOver)?;
????????????}
????????});
????????thread.start();
????????try?{
????????????Thread.sleep(500);
????????}?catch?(InterruptedException?e)?{
????????????e.printStackTrace();
????????}
????????isOver?=?true;
????}
}

注意不同點(diǎn)，現(xiàn)在已經(jīng)將isOver設(shè)置成了volatile變量，這樣在main線程中將isOver改為了true后，thread的工作內(nèi)存該變量值就會(huì)失效，從而需要再次從主內(nèi)存中讀取該值，現(xiàn)在能夠讀出isOver最新值為true從而能夠結(jié)束在thread里的死循環(huán)，從而能夠順利停止掉thread線程。