Java并发机制的底层实现原理-volatile

在多线程并发编程中synchronized和volatile都扮演着重要的角色，volatile可以说是一个轻量级的synchronized，它在多线程开发中保证了共享变量的“可见性”。
Java语言规范第三版中对volatile的定义如下：

Java编程语言允许线程访问共享变量，为了确保共享变量能被准确和一致的更新，线程应该确保通过排它锁单独获得这个变量。

下面通过一个实际案例来说明volatile的使用与作用：

public class VolatileDemo {

    private static boolean logic = true;

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(new TrueThread()).start();
        new Thread(new FalseThread()).start();
    }

    static class TrueThread implements Runnable {

        @Override
        public void run() {
            while (logic) {
            }
        }

    }

    static class FalseThread implements Runnable {

        @Override
        public void run() {
            logic = false;
        }
    }

}

上述代码运行结果会在第14行一直卡住，无法跳出循环，可是我们在调用FalseThread类的时候明明已经将该标记设置成false了，为什么还会无法跳出循环呢？这就涉及到内存可见性问题了，在此处代码无法保证对FalseThread修改的变量对TrueThread可见。

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。 --摘自 RedSpider社区

正是由于该问题使得TrueThread的线程无法获取最新的logic的值，所以一直无法退出当前循环，那么问题找到了，怎么解决呢？
下面是修改后的代码，只需要将logic用volatile关键字修饰即可

private static volatile boolean logic = true;

这样即可解决多线程环境下共享变量无法对另一线程可见的问题啦！

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指令重排序

在执行程序时，为了提高性能，编译器和处理器常常会对指令做重排序。重排序分3种类型：

• 编译器优化的重排序。编译器在不改变单线程程序语义的前提下，可以重新安排语句的执行顺序
• 指令级并行的重排序。现代处理器采用了指令级并行技术（Instruction-Level Parallelism，ILP）来将多条指令重叠执行。如果不存在数据依赖性，处理器可以改变语句对应机器指令的执行顺序
• 内存系统的重排序。由于处理器使用缓存和读/写缓冲区，这使得加载和存储操作看上去可能是在乱序执行

重排序是指编译器和处理器为了优化程序性能而对指令序列进行重新排序的一种手段。

从源码到最终执行的指令序列的示意图

上述的1属于编译器重排序，2和3属于处理器重排序。这些重排序可能会导致多线程程序 出现内存可见性问题。对于编译器，JMM的编译器重排序规则会禁止特定类型的编译器重排 序（不是所有的编译器重排序都要禁止）。对于处理器重排序，JMM的处理器重排序规则会要 求Java编译器在生成指令序列时，插入特定类型的内存屏障（Memory Barriers，Intel称之为 Memory Fence）指令，通过内存屏障指令来禁止特定类型的处理器重排序。

volatile的内存语义

当声明共享变量为volatile后，对这个变量的读/写将会很特别。为了揭开volatile的神秘面 纱，下面将介绍volatile的内存语义及volatile内存语义的实现。

volatile变量自身具有下列特性：

• 可见性。对一个volatile变量的读，总是能看到（任意线程）对这个volatile变量最后的写入
• 原子性：对任意单个volatile变量的读/写具有原子性，但类似于volatile++这种复合操作不具有原子性。

从内存语义的角度来说，volatile的写-读与锁的释放-获取有相同的内存效果：volatile写和 锁的释放有相同的内存语义；volatile读与锁的获取有相同的内存语义

volatile写-读的内存语义

volatile写的内存语义如下：

当写一个volatile变量时，JMM会把该线程对应的本地内存中的共享变量值刷新到主内存

volatile读的内存语义如下：

当读一个volatile变量时，JMM会把该线程对应的本地内存置为无效。线程接下来将从主内存中读取共享变量

下面对volatile写和volatile读的内存语义做个总结。

• 线程A写一个volatile变量，实质上是线程A向接下来将要读这个volatile变量的某个线程发出了（其对共享变量所做修改的）消息。
• 线程B读一个volatile变量，实质上是线程B接收了之前某个线程发出的（在写这个volatile变量之前对共享变量所做修改的）消息。
• 线程A写一个volatile变量，随后线程B读这个volatile变量，这个过程实质上是线程A通过主内存向线程B发送消息。

volatile内存语义的实现

前文提到过重排序分为编译器重排序和处理器重排序。为了实现volatile内存语义，JMM会分别限制这两种类型的重排序类型。下表是JMM针对编译器制定的volatile重排序规则表。

volatile重排序规则表

从上表我们可以看出：

• 当第二个操作是volatile写时，不管第一个操作是什么，都不能重排序。这个规则确保volatile写之前的操作不会被编译器重排序到volatile写之后
• 当第一个操作是volatile读时，不管第二个操作是什么，都不能重排序。这个规则确保volatile读之后的操作不会被编译器重排序到volatile读之前
• 当第一个操作是volatile写，第二个操作是volatile读时，不能重排序

JMM对于禁止重排序的方案使用内存屏障实现（LoadLoad/LoadStore/StoreStore/StoreLoad）

在JSR-133（JDK 5）之前的旧Java内存模型中，虽然不允许volatile变量之间重排序，但旧的Java内 存模型允许volatile变量与普通变量重排序。