死磕 java同步系列之volatile解析

問(wèn)題

（1）volatile是如何保證可見(jiàn)性的？

（2）volatile是如何禁止重排序的？

（3）volatile的實(shí)現(xiàn)原理？

（4）volatile的缺陷？

簡(jiǎn)介

volatile可以說(shuō)是Java虛擬機(jī)提供的最輕量級(jí)的同步機(jī)制了，但是它并不容易被正確地理解，以至于很多人不習(xí)慣使用它，遇到多線程問(wèn)題一律使用synchronized或其它鎖來(lái)解決。

了解volatile的語(yǔ)義對(duì)理解多線程的特性具有很重要的意義，所以彤哥專門(mén)寫(xiě)了一篇文章來(lái)解釋volatile的語(yǔ)義到底是什么。

語(yǔ)義一：可見(jiàn)性

前面介紹Java內(nèi)存模型的時(shí)候，我們說(shuō)過(guò)可見(jiàn)性是指當(dāng)一個(gè)線程修改了共享變量的值，其它線程能立即感知到這種變化。

關(guān)于Java內(nèi)存模型的講解請(qǐng)參考【死磕 java同步系列之JMM（Java Memory Model）】。

而普通變量無(wú)法做到立即感知這一點(diǎn)，變量的值在線程之間的傳遞均需要通過(guò)主內(nèi)存來(lái)完成，比如，線程A修改了一個(gè)普通變量的值，然后向主內(nèi)存回寫(xiě)，另外一條線程B只有在線程A的回寫(xiě)完成之后再?gòu)闹鲀?nèi)存中讀取變量的值，才能夠讀取到新變量的值，也就是新變量才能對(duì)線程B可見(jiàn)。

在這期間可能會(huì)出現(xiàn)不一致的情況，比如：

（1）線程A并不是修改完成后立即回寫(xiě)；

（線路A修改了變量x的值為5，但是還沒(méi)有回寫(xiě)，線程B從主內(nèi)存讀取到的還舊值0）

（2）線程B還在用著自己工作內(nèi)存中的值，而并不是立即從主內(nèi)存讀取值；

（線程A回寫(xiě)了變量x的值為5到主內(nèi)存中，但是線程B還沒(méi)有讀取主內(nèi)存的值，依舊在使用舊值0在進(jìn)行運(yùn)算）

基于以上兩種情況，所以，普通變量都無(wú)法做到立即感知這一點(diǎn)。

但是，volatile變量可以做到立即感知這一點(diǎn)，也就是volatile可以保證可見(jiàn)性。

java內(nèi)存模型規(guī)定，volatile變量的每次修改都必須立即回寫(xiě)到主內(nèi)存中，volatile變量的每次使用都必須從主內(nèi)存刷新最新的值。

volatile的可見(jiàn)性可以通過(guò)下面的示例體現(xiàn)：

public class VolatileTest {
    // public static int finished = 0;
    public static volatile int finished = 0;

    private static void checkFinished() {
        while (finished == 0) {
            // do nothing
        }
        System.out.println("finished");
    }

    private static void finish() {
        finished = 1;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 起一個(gè)線程檢測(cè)是否結(jié)束
        new Thread(() -> checkFinished()).start();

        Thread.sleep(100);

        // 主線程將finished標(biāo)志置為1
        finish();

        System.out.println("main finished");

    }
}

在上面的代碼中，針對(duì)finished變量，使用volatile修飾時(shí)這個(gè)程序可以正常結(jié)束，不使用volatile修飾時(shí)這個(gè)程序永遠(yuǎn)不會(huì)結(jié)束。

因?yàn)椴皇褂胿olatile修飾時(shí)，checkFinished()所在的線程每次都是讀取的它自己工作內(nèi)存中的變量的值，這個(gè)值一直為0，所以一直都不會(huì)跳出while循環(huán)。

使用volatile修飾時(shí)，checkFinished()所在的線程每次都是從主內(nèi)存中加載最新的值，當(dāng)finished被主線程修改為1的時(shí)候，它會(huì)立即感知到，進(jìn)而會(huì)跳出while循環(huán)。

語(yǔ)義二：禁止重排序

前面介紹Java內(nèi)存模型的時(shí)候，我們說(shuō)過(guò)Java中的有序性可以概括為一句話：如果在本線程中觀察，所有的操作都是有序的；如果在另一個(gè)線程中觀察，所有的操作都是無(wú)序的。

前半句是指線程內(nèi)表現(xiàn)為串行的語(yǔ)義，后半句是指“指令重排序”現(xiàn)象和“工作內(nèi)存和主內(nèi)存同步延遲”現(xiàn)象。

關(guān)于Java內(nèi)存模型的講解請(qǐng)參考【死磕 java同步系列之JMM（Java Memory Model）】。

普通變量?jī)H僅會(huì)保證在該方法的執(zhí)行過(guò)程中所有依賴賦值結(jié)果的地方都能獲得正確的結(jié)果，而不能保證變量賦值操作的順序與程序代碼中的執(zhí)行順序一致，因?yàn)橐粋€(gè)線程的方法執(zhí)行過(guò)程中無(wú)法感知到這點(diǎn)，這就是“線程內(nèi)表現(xiàn)為串行的語(yǔ)義”。

比如，下面的代碼：

// 兩個(gè)操作在一個(gè)線程
int i = 0;
int j = 1;

上面兩句話沒(méi)有依賴關(guān)系，JVM在執(zhí)行的時(shí)候?yàn)榱顺浞掷肅PU的處理能力，可能會(huì)先執(zhí)行int j = 1;這句，也就是重排序了，但是在線程內(nèi)是無(wú)法感知的。

看似沒(méi)有什么影響，但是如果是在多線程環(huán)境下呢？

我們?cè)倏匆粋€(gè)例子：

public class VolatileTest3 {
    private static Config config = null;
    private static volatile boolean initialized = false;

    public static void main(String[] args) {
        // 線程1負(fù)責(zé)初始化配置信息
        new Thread(() -> {
            config = new Config();
            config.name = "config";
            initialized = true;
        }).start();

        // 線程2檢測(cè)到配置初始化完成后使用配置信息
        new Thread(() -> {
            while (!initialized) {
                LockSupport.parkNanos(TimeUnit.MILLISECONDS.toNanos(100));
            }

            // do sth with config
            String name = config.name;
        }).start();
    }
}

class Config {
    String name;
}

這個(gè)例子很簡(jiǎn)單，線程1負(fù)責(zé)初始化配置，線程2檢測(cè)到配置初始化完畢，使用配置來(lái)干一些事。

在這個(gè)例子中，如果initialized不使用volatile來(lái)修飾，可能就會(huì)出現(xiàn)重排序，比如在初始化配置之前把initialized的值設(shè)置為了true，這樣線程2讀取到這個(gè)值為true了，就去使用配置了，這時(shí)候可能就會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。

（此處這個(gè)例子只是用于說(shuō)明重排序，實(shí)際運(yùn)行時(shí)很難出現(xiàn)。）

通過(guò)這個(gè)例子，彤哥相信大家對(duì)“如果在本線程內(nèi)觀察，所有操作都是有序的；在另一個(gè)線程觀察，所有操作都是無(wú)序的”有了更深刻的理解。

所以，重排序是站在另一個(gè)線程的視角的，因?yàn)樵诒揪€程中，是無(wú)法感知到重排序的影響的。

而volatile變量是禁止重排序的，它能保證程序?qū)嶋H運(yùn)行是按代碼順序執(zhí)行的。

實(shí)現(xiàn)：內(nèi)存屏障

上面講了volatile可以保證可見(jiàn)性和禁止重排序，那么它是怎么實(shí)現(xiàn)的呢？

答案就是，內(nèi)存屏障。

內(nèi)存屏障有兩個(gè)作用：

（1）阻止屏障兩側(cè)的指令重排序；

（2）強(qiáng)制把寫(xiě)緩沖區(qū)/高速緩存中的數(shù)據(jù)回寫(xiě)到主內(nèi)存，讓緩存中相應(yīng)的數(shù)據(jù)失效；

關(guān)于“內(nèi)存屏障”的知識(shí)點(diǎn)，各路大神的觀點(diǎn)也不完全一致，所以這里彤哥也就不展開(kāi)講述了，感興趣的可以看看下面的文章：

（注意，公眾號(hào)不允許外發(fā)鏈接，所以只能辛苦復(fù)制鏈接到瀏覽器中閱讀了，而且還可能需要×××）

（1） Doug Lea的《The JSR-133 Cookbook for Compiler Writers》

http://g.oswego.edu/dl/jmm/cookbook.html

Doug Lea 就是java并發(fā)包的作者，大牛！

（2）Martin Thompson的《Memory Barriers/Fences》

https://mechanical-sympathy.blogspot.com/2011/07/memory-barriersfences.html

Martin Thompson 專注于把性能提升到極致，專注于從硬件層面思考問(wèn)題，比如如何避免偽共享等，大牛！

它的博客地址就是上面這個(gè)地址，里面有很多底層的知識(shí)，有興趣的可以去看看。

（3）Dennis Byrne的《Memory Barriers and JVM Concurrency》

https://www.infoq.com/articles/memory_barriers_jvm_concurrency

這是InfoQ英文站上面的一篇文章，我覺(jué)得寫(xiě)的挺好的，基本上綜合了上面的兩種觀點(diǎn)，并從匯編層面分析了內(nèi)存屏障的實(shí)現(xiàn)。

目前國(guó)內(nèi)市面上的關(guān)于內(nèi)存屏障的講解基本不會(huì)超過(guò)這三篇文章，包括相關(guān)書(shū)籍中的介紹。

我們還是來(lái)看一個(gè)例子來(lái)理解內(nèi)存屏障的影響：

public class VolatileTest4 {
    // a不使用volatile修飾
    public static long a = 0;
    // 消除緩存行的影響
    public static long p1, p2, p3, p4, p5, p6, p7;
    // b使用volatile修飾
    public static volatile long b = 0;
    // 消除緩存行的影響
    public static long q1, q2, q3, q4, q5, q6, q7;
    // c不使用volatile修飾
    public static long c = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        new Thread(()->{
            while (a == 0) {
                long x = b;
            }
            System.out.println("a=" + a);
        }).start();

        new Thread(()->{
            while (c == 0) {
                long x = b;
            }
            System.out.println("c=" + c);
        }).start();

        Thread.sleep(100);

        a = 1;
        b = 1;
        c = 1;
    }
}

這段代碼中，a和c不使用volatile修飾，b使用volatile修飾，而且我們?cè)赼/b、b/c之間各加入7個(gè)long字段消除偽共享的影響。

關(guān)于偽共享的相關(guān)知識(shí)，可以查看彤哥之前寫(xiě)的文章【雜談 什么是偽共享（false sharing）？】。

在a和c的兩個(gè)線程的while循環(huán)中我們獲取一下b，你猜怎樣？如果把long x = b;這行去掉呢？運(yùn)行試試吧。

彤哥這里直接說(shuō)結(jié)論了：volatile變量的影響范圍不僅僅只包含它自己，它會(huì)對(duì)其上下的變量值的讀寫(xiě)都有影響。

缺陷

上面我們介紹了volatile關(guān)鍵字的兩大語(yǔ)義，那么，volatile關(guān)鍵字是不是就是萬(wàn)能的了呢？

當(dāng)然不是，忘了我們內(nèi)存模型那章說(shuō)的一致性包括的三大特性了么？

一致性主要包含三大特性：原子性、可見(jiàn)性、有序性。

volatile關(guān)鍵字可以保證可見(jiàn)性和有序性，那么volatile能保證原子性么？

請(qǐng)看下面的例子：

public class VolatileTest5 {
    public static volatile int counter = 0;

    public static void increment() {
        counter++;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(100);
        IntStream.range(0, 100).forEach(i->
                new Thread(()-> {
                    IntStream.range(0, 1000).forEach(j->increment());
                    countDownLatch.countDown();
                }).start());

        countDownLatch.await();

        System.out.println(counter);
    }
}

這段代碼中，我們起了100個(gè)線程分別對(duì)counter自增1000次，一共應(yīng)該是增加了100000，但是實(shí)際運(yùn)行結(jié)果卻永遠(yuǎn)不會(huì)達(dá)到100000。

讓我們來(lái)看看increment()方法的字節(jié)碼（IDEA下載相關(guān)插件可以查看）：

0 getstatic #2 <com/coolcoding/code/synchronize/VolatileTest5.counter>
3 iconst_1
4 iadd
5 putstatic #2 <com/coolcoding/code/synchronize/VolatileTest5.counter>
8 return

可以看到counter++被分解成了四條指令：

（1）getstatic，獲取counter當(dāng)前的值并入棧

（2）iconst_1，入棧int類型的值1

（3）iadd，將棧頂?shù)膬蓚€(gè)值相加

（4）putstatic，將相加的結(jié)果寫(xiě)回到counter中

由于counter是volatile修飾的，所以getstatic會(huì)從主內(nèi)存刷新最新的值，putstatic也會(huì)把修改的值立即同步到主內(nèi)存。

但是中間的兩步iconst_1和iadd在執(zhí)行的過(guò)程中，可能counter的值已經(jīng)被修改了，這時(shí)并沒(méi)有重新讀取主內(nèi)存中的最新值，所以volatile在counter++這個(gè)場(chǎng)景中并不能保證其原子性。

volatile關(guān)鍵字只能保證可見(jiàn)性和有序性，不能保證原子性，要解決原子性的問(wèn)題，還是只能通過(guò)加鎖或使用原子類的方式解決。

進(jìn)而，我們得出volatile關(guān)鍵字使用的場(chǎng)景：

（1）運(yùn)算的結(jié)果并不依賴于變量的當(dāng)前值，或者能夠確保只有單一的線程修改變量的值；

（2）變量不需要與其他狀態(tài)變量共同參與不變約束。

說(shuō)白了，就是volatile本身不保證原子性，那就要增加其它的約束條件來(lái)使其所在的場(chǎng)景本身就是原子的。

比如：

private volatile int a = 0;

// 線程A
a = 1;

// 線程B
if (a == 1) {
    // do sth
}

a = 1;這個(gè)賦值操作本身就是原子的，所以可以使用volatile來(lái)修飾。

總結(jié)

（1）volatile關(guān)鍵字可以保證可見(jiàn)性；

（2）volatile關(guān)鍵字可以保證有序性；

（3）volatile關(guān)鍵字不可以保證原子性；

（4）volatile關(guān)鍵字的底層主要是通過(guò)內(nèi)存屏障來(lái)實(shí)現(xiàn)的；

（5）volatile關(guān)鍵字的使用場(chǎng)景必須是場(chǎng)景本身就是原子的；

彩蛋

關(guān)于“內(nèi)存屏障”的三篇文章，考慮到有的同學(xué)無(wú)法×××，彤哥專門(mén)把這三篇下載下來(lái)整理了一下。

關(guān)注我的公眾號(hào)“彤哥讀源碼”，后臺(tái)回復(fù)“volatile”，下載這三篇資料。

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