雅石斋--多线程系列之volatile关键字(八)

本章我们继续讲解多线程中的volatile关键字

Volatile基本概念

详细讲解volatile之前，我们先复习一下它的基本概念。

内存可见性: 在java内存模型那一章我们介绍了JMM有一个主内存，每个线程有自己私有的工作内存，工作内存中保存了一些变量在主内存的拷贝。内存可见性，指的是线程之间的可见性，当一个线程修改了共享变量时，另一个线程可以读取到这个修改后的值。

重排序:为优化程序性能，对原有的指令执行顺序进行优化重新排序。重排序可能发生在多个阶段 ，比如编译重排序、CPU重排序等。

happens-before规则:是一个给程序员使用的规则，只要程序员在写代码的时候遵循happens-before规则，JVM就能保证指令在多线程之间的顺序性符合程序员的预期。

Volatile内存语义

在Java中，volatile关键字有特殊的内存语义。主要有以下两个功能:

1. 保证变量的内存可见性
2. 禁止volatile变量与普通变量重排序(JSR133提出，Java5开始才有这个“增强的volatile内存语义”)

内存可见性

先看一下示例代码：

public class VolatileExample {
    int a = 0;
    volatile boolean flag = false;

    public void writer() {
        a = 1; // step 1
        flag = true; // step 2
    }

    public void reader() {
        if (flag) { // step 3
            System.out.println(a); // step 4
        }
    }
}

在这段代码中，我们使用volatile关键字修饰了一个boolean类型的变量flag。

所谓内存可见性，指的是当一个线程对volatile修饰的变量进行写操作(step2)时，JMM会立即把该线程对应的本地内存中的共享变量的值刷新到主内存; 当一个线程对volatile修饰的变量进行读操作(step3)时，JMM会立即把该线程对应的本地内存置为无效，从主内存中读取共享变量的值。

在这一点上，volatile与锁具有相同的内存效果，volatile变量的写和锁的释放具有相同的内存语义，volatile变量的读和锁的获取具有相同的内存语义。

假设在时间线上，线程A先执行writer方法，线程B后执行reader方法。

所以如果flag变量没有用volatile修饰，在step 2，线程A的本地内存里面的变量就不会立即更新到主内存，那随后线程B也同样不会去主内存拿最新的值，仍然使用线程B本地内存缓存的变量的值a = 0，flag = false。

禁止重排序

在JSR-133之前的旧的Java内存模型中，是允许volatile变量与普通变量重排序的。那上面的案例中，可能就会被重排序成下列时序来执行(先改volatile变量)：

1. 线程A写volatile变量，step 2，设置flag为true；
2. 线程B读同一个volatile，step 3，读取到flag为true；
3. 线程B读普通变量，step 4，读取到 a = 0；
4. 线程A修改普通变量，step 1，设置 a = 1；

可见，如果volatile变量与普通变量发生了重排序，虽然volatile变量能保证内存可见性，也可能导致普通变量读取错误。

所以在旧的内存模型中，volatile的写-读就不能与锁的释放-获取具有相同的内存语义了。为了提供一种比锁更轻量级的线程间的通信机制，JSR-133专家组决定增强volatile的内存语义：严格限制编译器和处理器对volatile变量与普通变量的重排序。

编译器还好说，JVM是怎么还能限制处理器的重排序的呢？

它是通过内存屏障来实现的。

内存屏障：硬件层面，内存屏障分两种：读屏障（Load Barrier）和写屏障（Store Barrier）。

内存屏障有两个作用:

1. 阻止屏障两侧的指令重排序；

2. 强制把写缓冲区/高速缓存中的脏数据等写回主内存，或者让缓存中相应的数据失效。

   注意这里的缓存主要指的是CPU缓存，如L1，L2等

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。编译器选择了一个比较保守的JMM内存屏障插入策略，这样可以保证在任何处理器平台，任何程序中都能得到正确的volatile内存语义。这个策略：

• 在每个volatile写操作前插入一个StoreStore屏障；
• 在每个volatile写操作后插入一个StoreLoad屏障；
• 在每个volatile读操作后插入一个LoadLoad屏障；
• 在每个volatile读操作后再插入一个LoadStore屏障；

如图:

再解释一下这几个屏障。下述Load代表读操作，Store代表写操作

• LoadLoad屏障：对于这样的语句Load1; LoadLoad; Load2，在Load2及后续读取操作要读取的数据被访问前，保证Load1要读取的数据被读取完毕。
• StoreStore屏障：对于这样的语句Store1; StoreStore; Store2，在Store2及后续写入操作执行前，这个屏障会吧Store1强制刷新到内存，保证Store1的写入操作对其它处理器可见。
• LoadStore屏障：对于这样的语句Load1; LoadStore; Store2，在Store2及后续写入操作被刷出前，保证Load1要读取的数据被读取完毕。
• StoreLoad屏障：对于这样的语句Store1; StoreLoad; Load2，在Load2及后续所有读取操作执行前，保证Store1的写入对所有处理器可见。它的开销是四种屏障中最大的（冲刷写缓冲器，清空无效化队列）。在大多数处理器的实现中，这个屏障是个万能屏障，兼具其它三种内存屏障的功能

对于连续多个volatile变量读或者连续多个volatile变量写，编译器做了一定的优化来提高性能，比如：

第一个volatile读;
LoadLoad屏障；
第二个volatile读；
LoadStore屏障

再介绍一下volatile与普通变量的重排序规则:

1. 如果第一个操作是volatile读，那无论第二个操作是什么，都不能重排序；
2. 如果第二个操作是volatile写，第一个操作是写，不能重排序；
3. 如果第一个操作是volatile写，第二个操作是读，那不能重排序。

举个例子，我们在案例中step 1，是普通变量的写，step 2是volatile变量的写，那符合第2个规则，这两个steps不能重排序。而step 3是volatile变量读，step 4是普通变量读，符合第1个规则，同样不能重排序。

但如果是下列情况：第一个操作是普通变量读，第二个操作是volatile变量读，那是可以重排序的：

// 声明变量
int a = 0; // 声明普通变量
volatile boolean flag = false; // 声明volatile变量

// 以下两个变量的读操作是可以重排序的
int i = a; // 普通变量读
boolean j = flag; // volatile变量读

第一个操作是普通变量读，第二个操作是volatile变量写，也是可以重排序的：

普通变量读

StoreStore屏障

volatile写

StoreLoad屏障

因为可以重排序，那这两个操作之间一定不存在数据依赖关系，重排序后：

StoreStore屏障

volatile写

StoreLoad屏障

普通变量读

所以我们会发现
volatile写前的普通写/volatile写禁止重排序。
volatile写后的普通读/volatile读禁止重排序。
volatile读后的普通读/volatile读和普通写/volatile写都禁止重排序。

这个时候我们会发现为什么volatile写之前允许有读操作？？？
为什么不在volatile写前加上LoadStore屏障呢?
先说一下，volatile写之前如果有volatile读操作的话重排肯定是禁止的，因为会影响多线程下程序的正确性。
volatile读–volatile写禁止重排序。
但是不用在volatile写之前加loadStore是因为volatile读之后有LoadStore屏障，就已经达到了禁止重排序的效果。

而在普通变量读后是可以有的操作为普通变量的读，volatile变量的读/写，都可以重排序。

• 如果是普通变量的读操作，那重排序后运行结果正确，即两个普通变量的读操作，不存在数据依赖与竞态条件。

• 如果是volatile变量的读\写操作，因为一个是普通变量读，一个是volatile的读\写，两个变量之间本身不存在数据依赖与竞态条件。

唯一有影响的就是，后续为普通变量写。因为普通变量读与普通变量写之间没有happens-before规则，所以会有竞态条件，但是volatile的写操作的内存语义与释放锁相同，即会刷新该线程的写缓冲到内存中，而普通变量读根本不涉及到写缓冲，所以即使重排序了也不会破坏volatile的内存语义。

这也是为什么不需要在volatile的写操作前加LoadStore屏障的原因。

volatile用途

从volatile的内存语义上来看，volatile可以保证内存可见性且禁止重排序。

在保证内存可见性这一点上，volatile有着与锁相同的内存语义，所以可以作为一个轻量级的锁来使用。但由于volatile仅仅保证对单个volatile变量的读/写具有原子性，而锁可以保证整个临界区代码的执行具有原子性。所以在功能上，锁比volatile更强大；在性能上，volatile更有优势。

在禁止重排序这一点上，volatile也是非常有用的。比如我们熟悉的单例模式，其中有一种实现方式是“双重锁检查”，比如这样的代码：

public class Singleton {

    private static volatile Singleton instance; // 不使用volatile关键字

    // 双重锁检验
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) { // 第7行
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton(); // 第10行
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

如果这里的变量声明不使用volatile关键字，是可能会发生错误的。它可能会被重排序：

instance = new Singleton(); // 第10行
可以分解为以下三个步骤

1. memory=allocate();// 分配内存 相当于c的malloc
2. ctorInstanc(memory) //初始化对象
3. instance=memory //设置instance指向刚分配的地址

上述三个步骤可能会被重排序为 1-3-2，也就是：

1. memory=allocate();// 分配内存 相当于c的malloc
2. instance=memory //设置instance指向刚分配的地址
3. ctorInstanc(memory) //初始化对象

而一旦假设发生了这样的重排序，比如线程A在第10行执行了步骤1和步骤3，但是步骤2还没有执行完。这个时候另一个线程B执行到了第7行，它会判定instance不为空，然后直接返回了一个未初始化完成的instance！

所以JSR-133对volatile做了增强后，volatile的禁止重排序功能是非常有用的。

讲到这里本章对多线程系列之volatile关键字的讲解也就结束了，如果想了解更多知识可以在对应的专栏中看系列文章，谢谢大家的观看，希望能给各位同学带来帮助。如果觉得博主写的还可以的，可以点赞收藏。