volatile關(guān)鍵字詳解

一垮耳、volatile關(guān)鍵字簡介

synchronized關(guān)鍵字是阻塞式同步乞榨，在線程競爭激烈的時(shí)候會(huì)逐漸由偏向鎖膨脹為重量級(jí)鎖。而volatile是JVM提供的最輕量級(jí)的同步機(jī)制因谎。JMM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)存按声，然后執(zhí)行引擎會(huì)基于工作內(nèi)存中的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作處理菱阵。不過線程在工作內(nèi)存中進(jìn)行操作后將會(huì)何時(shí)寫入主內(nèi)存中拯坟？這個(gè)時(shí)機(jī)普通機(jī)制是沒有規(guī)定的晤碘。

volatile一般用于修飾會(huì)被不同線程訪問和修改的變量衍锚，而針對(duì)volatile修飾的變量給JVM給了規(guī)定：線程對(duì)volatile變量的修改會(huì)立刻被其他線程感知友题，即被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，這樣就不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)臟讀的現(xiàn)象构拳，保證了數(shù)據(jù)的可見性咆爽。

volatile具有可見性和有序性

二、volatile實(shí)現(xiàn)原理

加入volatile關(guān)鍵字的代碼的class字節(jié)碼中會(huì)多出了一個(gè)lock前綴指令置森，lock指令相當(dāng)于一個(gè)內(nèi)存屏障斗埂，主要做了三件事：

重排序時(shí)不能把后面的指令重排序到內(nèi)存屏障之前的位置
將當(dāng)前處理器緩存行的數(shù)據(jù)寫回系統(tǒng)內(nèi)存
這個(gè)寫回內(nèi)存的操作會(huì)使其他CPU里緩存的該內(nèi)存地址的數(shù)據(jù)無效，即新寫入的值對(duì)別的線程可見

經(jīng)過這一波操作后凫海，其他的線程發(fā)現(xiàn)自己工作內(nèi)存中的緩存失效后呛凶，就會(huì)從內(nèi)存中重新讀取該變量數(shù)據(jù)，即保證了其他線程可以獲取當(dāng)前最新值行贪。即可以說volatile實(shí)現(xiàn)了緩存一致性協(xié)議：每個(gè)處理器通過嗅探在總線上傳播的數(shù)據(jù)來檢查自己的緩存的值是不是過期了漾稀，當(dāng)處理器發(fā)現(xiàn)自己緩存行對(duì)應(yīng)的內(nèi)存地址被修改模闲，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)候崭捍，會(huì)重新從系統(tǒng)內(nèi)存中把數(shù)據(jù)讀到處理器緩存里尸折。

三、volatile的happens-before關(guān)系和內(nèi)存語義分析

在之前JMM一文中對(duì)happens-before規(guī)則介紹殷蛇，有一條是：對(duì)一個(gè)volatile域的寫实夹，happens-before于任意后續(xù)對(duì)這個(gè)volatile域的讀。

來看一段代碼

class VolatileExam{
    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
        }
    }
}

對(duì)volatile的happens-before分析：

線程1先執(zhí)行writer方法粒梦，然后線程2執(zhí)行reader方法亮航。
我們由happens-before規(guī)則推知，2 happens-before 3 （volatile變量的寫happens-before于任意后續(xù)對(duì)volatile變量的讀）
由傳遞性可以得知1 happens-before 4
由happens-before規(guī)則：如果A happens-before B匀们，則A的執(zhí)行結(jié)果對(duì)B可見缴淋，且A的執(zhí)行順序先于B的執(zhí)行順序
那么2的執(zhí)行結(jié)果對(duì)3可見，也就是說線程1將flag修改為true泄朴，線程2能夠迅速感知

volatile的內(nèi)存語義分析：

如果線程1先進(jìn)行writer方法重抖，隨后線程2進(jìn)行reader方法。一開始的本地都是a和flag的初始化狀態(tài)
在線程1線程2的本地內(nèi)存里叼旋，線程1對(duì)初始值進(jìn)行了修改并寫入主內(nèi)存中仇哆，而在線程2的本地內(nèi)存里還是原來的值
由于volatile變量寫后，線程中本地內(nèi)存中共享變量就會(huì)置為失效狀態(tài)夫植，因此線程2需要再次從主內(nèi)存中讀取最新的共享變量值讹剔。從橫向看，線程1和線程2進(jìn)行了通信详民，線程1在寫volatile變量的時(shí)候告訴線程2：你的本地內(nèi)存中的值是舊的
線程2在讀取volatile變量的時(shí)候就被告知目前自己的本地值是舊的延欠，那線程2就只能去主內(nèi)存中去取最新值了

四、volatile內(nèi)存語義的具體實(shí)現(xiàn)

為了性能優(yōu)化沈跨，JMM在不改變正確語義的前提下由捎，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就得添加內(nèi)存屏障饿凛。

在這里插入圖片描述

四個(gè)內(nèi)存屏障：

屏障類型	指令類型	說明
LoadLoadBarriers	Load1狞玛；LoadLoad；Load2	確保Load1的數(shù)據(jù)的裝載先于Load2及所有后續(xù)裝載指令的裝載
StoreStoreBarriers	Store1涧窒；StoreStore心肪；Store2	確保Store1數(shù)據(jù)對(duì)其他處理器可見（刷新到內(nèi)存）先于Store2及所有后續(xù)存儲(chǔ)指令的存儲(chǔ)
LoadStoreBarriers	Load1；LoadStore纠吴；Store2	確保Load1的數(shù)據(jù)的裝載先于Store2及所有后續(xù)存儲(chǔ)指令的存儲(chǔ)
StoreLoadBarriers	Store1硬鞍；StoreLoad；Load2	確保Store1的數(shù)據(jù)對(duì)其他處理器可見（刷新到內(nèi)存）先于Load2及所有后續(xù)的裝載指令的裝載

為了實(shí)現(xiàn)volatile內(nèi)存語義，編譯器在生成字節(jié)碼時(shí)固该，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：

在每個(gè)volatile寫操作的前面插入一個(gè)StoreStore屏障
在每個(gè)volatile寫操作的后面插入一個(gè)StoreLoad屏障
在每個(gè)volatile讀操作的后面插入一個(gè)LoadLoad屏障
在每個(gè)volatile讀操作的后面插入一個(gè)LoadStore屏障

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

五、volatile如何保證內(nèi)存可見性

復(fù)習(xí)一下JMM的8種原子操作：

lock（鎖定）：作用于主內(nèi)存中的變量伐坏，把一個(gè)變量表示為一個(gè)線程獨(dú)占的狀態(tài)
unlock（解鎖）：作用于主內(nèi)存中的變量怔匣，把一個(gè)處于鎖定狀態(tài)的變量釋放出來，釋放后的變量才可以被其他線程鎖定
read（讀戎）：作用于主內(nèi)存的變量劫狠，把一個(gè)變量的值從主內(nèi)存讀取到線程的工作內(nèi)存中拴疤，以便于后面的load操作
load（載入）：作用于工作內(nèi)存中的變量永部，把read操作從主存中得到的變量值放入工作內(nèi)存中的變量副本
use（使用）：作用于工作內(nèi)存中的變量，把工作內(nèi)存中的一個(gè)變量的值傳遞給執(zhí)行引擎呐矾，每當(dāng)虛擬機(jī)遇到一個(gè)需要使用變量的值的字節(jié)碼指令時(shí)將會(huì)執(zhí)行這個(gè)操作
assign（賦值）：作用于工作內(nèi)存中的變量苔埋，把一個(gè)從執(zhí)行引擎接收到的值賦給工作內(nèi)存的變量，每當(dāng)虛擬機(jī)遇到一個(gè)給變量賦值的字節(jié)碼指令時(shí)就執(zhí)行這個(gè)操作
store（存儲(chǔ)）：作用于工作內(nèi)存中的變量蜒犯，把工作內(nèi)存中一個(gè)變量的值傳送給主存中以便于后面的write操作
write（寫入）：作用于主內(nèi)存中的變量组橄，把store操作從工作內(nèi)存中得到的變量的值放入主內(nèi)存的變量中

volatile規(guī)定：read、load罚随、use動(dòng)作必須連續(xù)出現(xiàn)玉工；assign、store淘菩、write動(dòng)作必須連續(xù)出現(xiàn)
所以volatile保證：每次讀取前必須先從主內(nèi)存刷新最新的值遵班，每次寫入后必須立即同步回主內(nèi)存當(dāng)中。即volatile關(guān)鍵字修飾的變量看到的隨時(shí)是自己的最新值潮改。

六狭郑、volatile的注意事項(xiàng)

public class VolatileExample {

    private static volatile int counter = 0;

    public static void main(String[] args) {
        //開十個(gè)線程，讓他們每個(gè)都自增10000次汇在，理論上應(yīng)該得到10000
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            Thread thread = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    for (int i = 0; i < 1000; i++)
                        counter++;
                }
            });
            thread.start();
        }
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(counter);
    }
}

多次運(yùn)行看出翰萨，每次都得不到10000，這說明volatile并不能保證整體原子性糕殉。問題就是counter++并不是一個(gè)原子操作亩鬼，他包含了三個(gè)步驟：

讀取counter的值
對(duì)counter+1
將新的值賦給變量counter

這么看來如果線程1讀取counter到工作內(nèi)存后，其他線程對(duì)這個(gè)值已經(jīng)做了自增操作阿蝶，那么線程A的這個(gè)值自然就是一個(gè)過期的值雳锋，造成了數(shù)據(jù)的臟讀，因此結(jié)果必然小于10000赡磅。

如果想讓volatile保證整體原子性魄缚，必須符合：

運(yùn)算結(jié)果不依賴變量的當(dāng)前值，或者能夠確保只有一個(gè)線程修改變量的值；
變量不需要與其他的狀態(tài)變量共同參與不變約束

如果編譯器經(jīng)過分析后冶匹，認(rèn)定一個(gè)volatile變量只會(huì)被單個(gè)線程訪問习劫，那么編譯器可以把這個(gè)volatile變量當(dāng)做一個(gè)普通的變量來對(duì)待。