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volatile的特性
當(dāng)我們聲明共享變量為volatile后，對(duì)這個(gè)變量的讀/寫(xiě)將會(huì)很特別硝枉。理解volatile特性的一個(gè)好方法是：把對(duì)volatile變量的單個(gè)讀/寫(xiě)引镊，看成是使用同一個(gè)監(jiān)視器鎖對(duì)這些單個(gè)讀/寫(xiě)操作做了同步毯侦。下面我們通過(guò)具體的示例來(lái)說(shuō)明，請(qǐng)看下面的示例代碼：
[java]?view plaincopy
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(gè)volatile變量的寫(xiě)??
????}??
public?void?getAndIncrement?()?{??
vl++;//復(fù)合（多個(gè)）volatile變量的讀/寫(xiě)??
????}??
public?long?get()?{??
return?vl;???//單個(gè)volatile變量的讀??
????}??
}??
假設(shè)有多個(gè)線程分別調(diào)用上面程序的三個(gè)方法，這個(gè)程序在語(yǔ)意上和下面程序等價(jià)：
[java]?view plaincopy
class?VolatileFeaturesExample?{??
long?vl?=?0L;???????????????//?64位的long型普通變量??
public?synchronized?void?set(long?l)?{?????//對(duì)單個(gè)的普通?變量的寫(xiě)用同一個(gè)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(xiě)操作??
set(temp);//調(diào)用已同步的寫(xiě)方法??
????}??
public?synchronized?long?get()?{???
//對(duì)單個(gè)的普通變量的讀用同一個(gè)監(jiān)視器同步??
return?vl;??
????}??
}??
如上面示例程序所示酬姆，對(duì)一個(gè)volatile變量的單個(gè)讀/寫(xiě)操作勤庐，與對(duì)一個(gè)普通變量的讀/寫(xiě)操作使用同一個(gè)監(jiān)視器鎖來(lái)同步示惊，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(gè)線程之間的內(nèi)存可見(jiàn)性愉镰，這意味著對(duì)一個(gè)volatile變量的讀米罚，總是能看到（任意線程）對(duì)這個(gè)volatile變量最后的寫(xiě)入。
監(jiān)視器鎖的語(yǔ)義決定了臨界區(qū)代碼的執(zhí)行具有原子性丈探。這意味著即使是64位的long型和double型變量录择，只要它是volatile變量，對(duì)該變量的讀寫(xiě)就將具有原子性。如果是多個(gè)volatile操作或類(lèi)似于volatile++這種復(fù)合操作隘竭，這些操作整體上不具有原子性塘秦。
簡(jiǎn)而言之，volatile變量自身具有下列特性：
1.可見(jiàn)性动看。對(duì)一個(gè)volatile變量的讀尊剔，總是能看到（任意線程）對(duì)這個(gè)volatile變量最后的寫(xiě)入。
2.原子性：對(duì)任意單個(gè)volatile變量的讀/寫(xiě)具有原子性菱皆，但類(lèi)似于volatile++這種復(fù)合操作不具有原子性须误。
volatile寫(xiě)-讀建立的happens before關(guān)系
3.增強(qiáng)的volatile的內(nèi)存語(yǔ)義保證，編譯器不會(huì)對(duì)volatile讀與volatile讀后面的任意內(nèi)存操作重排序搔预；編譯器不會(huì)對(duì)volatile寫(xiě)與volatile寫(xiě)前面的任意內(nèi)存操作重排序
說(shuō)明：vaolatile 變量之前的對(duì)普通變量的寫(xiě)霹期，volatile變量后面的普通變量讀一定可見(jiàn)
上面講的是volatile變量自身的特性，對(duì)程序員來(lái)說(shuō)拯田，volatile對(duì)線程的內(nèi)存可見(jiàn)性的影響比volatile自身的特性更為重要历造，也更需要我們?nèi)リP(guān)注。
從JSR-133開(kāi)始船庇，volatile變量的寫(xiě)-讀可以實(shí)現(xiàn)線程之間的通信吭产。
從內(nèi)存語(yǔ)義的角度來(lái)說(shuō)，volatile與監(jiān)視器鎖有相同的效果：volatile寫(xiě)和監(jiān)視器的釋放有相同的內(nèi)存語(yǔ)義鸭轮；volatile讀與監(jiān)視器的獲取有相同的內(nèi)存語(yǔ)義臣淤。
請(qǐng)看下面使用volatile變量的示例代碼：
說(shuō)明： 下面例子?舉得非常準(zhǔn)備，利用volatile寫(xiě)-度的 happens-before 性質(zhì)窃爷，保證了普通變量可見(jiàn)性邑蒋。
如果沒(méi)有這個(gè)保證，a=1按厘，和falg=true可能會(huì)重拍医吊，導(dǎo)致 4 步驟獲取a=0，發(fā)生?并發(fā)錯(cuò)誤逮京。
[java]view plaincopy
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(shè)線程A執(zhí)行writer()方法之后卿堂，線程B執(zhí)行reader()方法。根據(jù)happens before規(guī)則懒棉，這個(gè)過(guò)程建立的happens before 關(guān)系可以分為兩類(lèi)：
根據(jù)程序次序規(guī)則草描，1 happens before 2; 3 happens before 4。
根據(jù)volatile規(guī)則策严，2 happens before 3穗慕。
根據(jù)happens before 的傳遞性規(guī)則，1 happens before 4享钞。
上述happens before 關(guān)系的圖形化表現(xiàn)形式如下：
在上圖中揍诽，每一個(gè)箭頭鏈接的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)诀蓉，代表了一個(gè)happens before 關(guān)系栗竖。黑色箭頭表示程序順序規(guī)則暑脆；橙色箭頭表示volatile規(guī)則；藍(lán)色箭頭表示組合這些規(guī)則后提供的happens before保證狐肢。
這里A線程寫(xiě)一個(gè)volatile變量后添吗，B線程讀同一個(gè)volatile變量。A線程在寫(xiě)volatile變量之前所有可見(jiàn)的共享變量份名，在B線程讀同一個(gè)volatile變量后碟联，將立即變得對(duì)B線程可見(jiàn)。
volatile寫(xiě)-讀的內(nèi)存語(yǔ)義
volatile寫(xiě)的內(nèi)存語(yǔ)義如下：
當(dāng)寫(xiě)一個(gè)volatile變量時(shí)僵腺，JMM會(huì)把該線程對(duì)應(yīng)的本地內(nèi)存中的共享變量刷新到主內(nèi)存鲤孵。
以上面示例程序VolatileExample為例，假設(shè)線程A首先執(zhí)行writer()方法辰如，隨后線程B執(zhí)行reader()方法普监，初始時(shí)兩個(gè)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(xiě)后琉兜，共享變量的狀態(tài)示意圖：
如上圖所示凯正，線程A在寫(xiě)flag變量后，本地內(nèi)存A中被線程A更新過(guò)的兩個(gè)共享變量的值被刷新到主內(nèi)存中豌蟋。此時(shí)廊散，本地內(nèi)存A和主內(nèi)存中的共享變量的值是一致的。
volatile讀的內(nèi)存語(yǔ)義如下：
當(dāng)讀一個(gè)volatile變量時(shí)梧疲，JMM會(huì)把該線程對(duì)應(yīng)的本地內(nèi)存置為無(wú)效允睹。線程接下來(lái)將從主內(nèi)存中讀取共享變量。
下面是線程B讀同一個(gè)volatile變量后幌氮，共享變量的狀態(tài)示意圖：
如上圖所示缭受，在讀flag變量后，本地內(nèi)存B已經(jīng)被置為無(wú)效浩销。此時(shí)贯涎，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(dǎo)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慢洋。
如果我們把volatile寫(xiě)和volatile讀這兩個(gè)步驟綜合起來(lái)看的話塘雳，在讀線程B讀一個(gè)volatile變量后，寫(xiě)線程A在寫(xiě)這個(gè)volatile變量之前所有可見(jiàn)的共享變量的值都將立即變得對(duì)讀線程B可見(jiàn)普筹。
下面對(duì)volatile寫(xiě)和volatile讀的內(nèi)存語(yǔ)義做個(gè)總結(jié)：
線程A寫(xiě)一個(gè)volatile變量败明，實(shí)質(zhì)上是線程A向接下來(lái)將要讀這個(gè)volatile變量的某個(gè)線程發(fā)出了（其對(duì)共享變量所在修改的）消息。
線程B讀一個(gè)volatile變量太防，實(shí)質(zhì)上是線程B接收了之前某個(gè)線程發(fā)出的（在寫(xiě)這個(gè)volatile變量之前對(duì)共享變量所做修改的）消息妻顶。
線程A寫(xiě)一個(gè)volatile變量酸员，隨后線程B讀這個(gè)volatile變量，這個(gè)過(guò)程實(shí)質(zhì)上是線程A通過(guò)主內(nèi)存向線程B發(fā)送消息讳嘱。
volatile內(nèi)存語(yǔ)義的實(shí)現(xiàn)
下面幔嗦，讓我們來(lái)看看JMM如何實(shí)現(xiàn)volatile寫(xiě)/讀的內(nèi)存語(yǔ)義。
前文我們提到過(guò)重排序分為編譯器重排序和處理器重排序沥潭。為了實(shí)現(xiàn)volatile內(nèi)存語(yǔ)義邀泉，JMM會(huì)分別限制這兩種類(lèi)型的重排序類(lèi)型。下面是JMM針對(duì)編譯器制定的volatile重排序規(guī)則表：
是否能重排序第二個(gè)操作
第一個(gè)操作普通讀/寫(xiě)volatile讀volatile寫(xiě)
普通讀/寫(xiě)??NO
volatile讀NONONO
volatile寫(xiě)?NONO
舉例來(lái)說(shuō)钝鸽，第三行最后一個(gè)單元格的意思是：在程序順序中汇恤，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)操作為普通變量的讀或?qū)憰r(shí)，如果第二個(gè)操作為volatile寫(xiě)拔恰，則編譯器不能重排序這兩個(gè)操作因谎。
從上表我們可以看出：
當(dāng)?shù)诙€(gè)操作是volatile寫(xiě)時(shí)，不管第一個(gè)操作是什么颜懊，都不能重排序财岔。這個(gè)規(guī)則確保volatile寫(xiě)之前的操作不會(huì)被編譯器重排序到volatile寫(xiě)之后。
當(dāng)?shù)谝粋€(gè)操作是volatile讀時(shí)饭冬，不管第二個(gè)操作是什么使鹅，都不能重排序。這個(gè)規(guī)則確保volatile讀之后的操作不會(huì)被編譯器重排序到volatile讀之前昌抠。
當(dāng)?shù)谝粋€(gè)操作是volatile寫(xiě)患朱，第二個(gè)操作是volatile讀時(shí)，不能重排序炊苫。
為了實(shí)現(xiàn)volatile的內(nèi)存語(yǔ)義裁厅，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(lái)禁止特定類(lèi)型的處理器重排序侨艾。對(duì)于編譯器來(lái)說(shuō)执虹，發(fā)現(xiàn)一個(gè)最優(yōu)布置來(lái)最小化插入屏障的總數(shù)幾乎不可能，為此唠梨，JMM采取保守策略袋励。下面是基于保守策略的JMM內(nèi)存屏障插入策略：
在每個(gè)volatile寫(xiě)操作的前面插入一個(gè)StoreStore屏障。
在每個(gè)volatile寫(xiě)操作的后面插入一個(gè)StoreLoad屏障当叭。
在每個(gè)volatile讀操作的后面插入一個(gè)LoadLoad屏障茬故。
在每個(gè)volatile讀操作的后面插入一個(gè)LoadStore屏障。
上述內(nèi)存屏障插入策略非常保守蚁鳖，但它可以保證在任意處理器平臺(tái)磺芭，任意的程序中都能得到正確的volatile內(nèi)存語(yǔ)義。
下面是保守策略下醉箕，volatile寫(xiě)插入內(nèi)存屏障后生成的指令序列示意圖：
上圖中的StoreStore屏障可以保證在volatile寫(xiě)之前钾腺，其前面的所有普通寫(xiě)操作已經(jīng)對(duì)任意處理器可見(jiàn)了徙垫。這是因?yàn)镾toreStore屏障將保障上面所有的普通寫(xiě)在volatile寫(xiě)之前刷新到主內(nèi)存。
這里比較有意思的是volatile寫(xiě)后面的StoreLoad屏障放棒。這個(gè)屏障的作用是避免volatile寫(xiě)與后面可能有的volatile讀/寫(xiě)操作重排序姻报。因?yàn)榫幾g器常常無(wú)法準(zhǔn)確判斷在一個(gè)volatile寫(xiě)的后面，是否需要插入一個(gè)StoreLoad屏障（比如哨查，一個(gè)volatile寫(xiě)之后方法立即return）逗抑。為了保證能正確實(shí)現(xiàn)volatile的內(nèi)存語(yǔ)義剧辐，JMM在這里采取了保守策略：在每個(gè)volatile寫(xiě)的后面或在每個(gè)volatile讀的前面插入一個(gè)StoreLoad屏障寒亥。從整體執(zhí)行效率的角度考慮，JMM選擇了在每個(gè)volatile寫(xiě)的后面插入一個(gè)StoreLoad屏障荧关。因?yàn)関olatile寫(xiě)-讀內(nèi)存語(yǔ)義的常見(jiàn)使用模式是：一個(gè)寫(xiě)線程寫(xiě)volatile變量溉奕，多個(gè)讀線程讀同一個(gè)volatile變量。當(dāng)讀線程的數(shù)量大大超過(guò)寫(xiě)線程時(shí)忍啤，選擇在volatile寫(xiě)之后插入StoreLoad屏障將帶來(lái)可觀的執(zhí)行效率的提升加勤。從這里我們可以看到JMM在實(shí)現(xiàn)上的一個(gè)特點(diǎn)：首先確保正確性，然后再去追求執(zhí)行效率同波。
下面是在保守策略下鳄梅，volatile讀插入內(nèi)存屏障后生成的指令序列示意圖：
上圖中的LoadLoad屏障用來(lái)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(lái)禁止處理器把上面的volatile讀與下面的普通寫(xiě)重排序未檩。
上述volatile寫(xiě)和volatile讀的內(nèi)存屏障插入策略非常保守戴尸。在實(shí)際執(zhí)行時(shí)，只要不改變volatile寫(xiě)-讀的內(nèi)存語(yǔ)義冤狡，編譯器可以根據(jù)具體情況省略不必要的屏障孙蒙。下面我們通過(guò)具體的示例代碼來(lái)說(shuō)明：
[java]view plaincopy
class?VolatileBarrierExample?{??
int?a;??
volatile?int?v1?=?1;??
volatile?int?v2?=?2;??
void?readAndWrite()?{??
int?i?=?v1;???????????//第一個(gè)volatile讀??
int?j?=?v2;???????????//?第二個(gè)volatile讀??
a?=?i?+?j;//普通寫(xiě)??
v1?=?i?+1;??????????//?第一個(gè)volatile寫(xiě)??
v2?=?j?*2;??????????//第二個(gè)?volatile寫(xiě)??
????}??
…//其他方法??
}??
針對(duì)readAndWrite()方法，編譯器在生成字節(jié)碼時(shí)可以做如下的優(yōu)化：
注意悲雳，最后的StoreLoad屏障不能省略挎峦。因?yàn)榈诙€(gè)volatile寫(xiě)之后，方法立即return合瓢。此時(shí)編譯器可能無(wú)法準(zhǔn)確斷定后面是否會(huì)有volatile讀或?qū)懱菇海瑸榱税踩鹨?jiàn)，編譯器常常會(huì)在這里插入一個(gè)StoreLoad屏障晴楔。
上面的優(yōu)化是針對(duì)任意處理器平臺(tái)顿苇，由于不同的處理器有不同“松緊度”的處理器內(nèi)存模型，內(nèi)存屏障的插入還可以根據(jù)具體的處理器內(nèi)存模型繼續(xù)優(yōu)化滥崩。以x86處理器為例岖圈，上圖中除最后的StoreLoad屏障外，其它的屏障都會(huì)被省略钙皮。
前面保守策略下的volatile讀和寫(xiě)蜂科，在 x86處理器平臺(tái)可以?xún)?yōu)化成：
前文提到過(guò)顽决，x86處理器僅會(huì)對(duì)寫(xiě)-讀操作做重排序。X86不會(huì)對(duì)讀-讀导匣，讀-寫(xiě)和寫(xiě)-寫(xiě)操作做重排序才菠，因此在x86處理器中會(huì)省略掉這三種操作類(lèi)型對(duì)應(yīng)的內(nèi)存屏障。在x86中贡定，JMM僅需在volatile寫(xiě)后面插入一個(gè)StoreLoad屏障即可正確實(shí)現(xiàn)volatile寫(xiě)-讀的內(nèi)存語(yǔ)義赋访。這意味著在x86處理器中，volatile寫(xiě)的開(kāi)銷(xiāo)比volatile讀的開(kāi)銷(xiāo)會(huì)大很多（因?yàn)閳?zhí)行StoreLoad屏障開(kāi)銷(xiāo)會(huì)比較大）缓待。
JSR-133為什么要增強(qiáng)volatile的內(nèi)存語(yǔ)義
在JSR-133之前的舊Java內(nèi)存模型中蚓耽，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旋炒。在舊的內(nèi)存模型中步悠，VolatileExample示例程序可能被重排序成下列時(shí)序來(lái)執(zhí)行：
在舊的內(nèi)存模型中，當(dāng)1和2之間沒(méi)有數(shù)據(jù)依賴(lài)關(guān)系時(shí)瘫镇，1和2之間就可能被重排序（3和4類(lèi)似）鼎兽。其結(jié)果就是：讀線程B執(zhí)行4時(shí)，不一定能看到寫(xiě)線程A在執(zhí)行1時(shí)對(duì)共享變量的修改铣除。
因此在舊的內(nèi)存模型中 谚咬，volatile的寫(xiě)-讀沒(méi)有監(jiān)視器的釋放-獲所具有的內(nèi)存語(yǔ)義。為了提供一種比監(jiān)視器鎖更輕量級(jí)的線程之間通信的機(jī)制尚粘，JSR-133專(zhuān)家組決定增強(qiáng)volatile的內(nèi)存語(yǔ)義：嚴(yán)格限制編譯器和處理器對(duì)volatile變量與普通變量的重排序择卦，確保volatile的寫(xiě)-讀和監(jiān)視器的釋放-獲取一樣，具有相同的內(nèi)存語(yǔ)義背苦。從編譯器重排序規(guī)則和處理器內(nèi)存屏障插入策略來(lái)看互捌，只要volatile變量與普通變量之間的重排序可能會(huì)破壞volatile的內(nèi)存語(yǔ)意，這種重排序就會(huì)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行剂。
增強(qiáng)的volatile的內(nèi)存語(yǔ)義保證秕噪，編譯器不會(huì)對(duì)volatile讀與volatile讀后面的任意內(nèi)存操作重排序；編譯器不會(huì)對(duì)volatile寫(xiě)與volatile寫(xiě)前面的任意內(nèi)存操作重排序厚宰。組合這兩個(gè)條件腌巾，上面的1和2之間就不可能被重排序。
由于volatile僅僅保證對(duì)單個(gè)volatile變量的讀/寫(xiě)具有原子性铲觉，而監(jiān)視器鎖的互斥執(zhí)行的特性可以確保對(duì)整個(gè)臨界區(qū)代碼的執(zhí)行具有原子性澈蝙。在功能上，監(jiān)視器鎖比volatile更強(qiáng)大撵幽；在可伸縮性和執(zhí)行性能上灯荧，volatile更有優(yōu)勢(shì)。如果讀者想在程序中用volatile代替監(jiān)視器鎖盐杂，請(qǐng)一定謹(jǐn)慎逗载。
Concurrent Programming in Java?: Design Principles and Pattern
JSR 133 (Java Memory Model) FAQ
JSR-133: Java Memory Model and Thread Specification
The JSR-133 Cookbook for Compiler Writers
Java 理論與實(shí)踐: 正確使用 Volatile 變量
Java theory and practice: Fixing the Java Memory Model, Part 2
