8 volatitle

8.1 几个基本概念

在介绍volatile之前,我们先回顾及介绍几个基本的概念。

8.1.1 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

8.1.2 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。

8.1.3 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。

8.2 volatile的内存语义

在Java中,volatile关键字有特殊的内存语义。volatile主要有以下两个功能:
  • 保证变量的内存可见性
  • 禁止volatile变量与普通变量重排序(JSR133提出,Java 5 开始才有这个“增强的volatile内存语义”)

8.2.1 内存可见性

以一段示例代码开始:
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
}
}
}
在这段代码里,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(比如step 2)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(比如step 3)时,JMM会把立即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先自行方法writer方法,线程B后执行reader方法。那必然会有下图:
Could not load image
volatile内存示意图
而如果flag变量没有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

8.2.1 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:
  1. 1.
    线程A写volatile变量,step 2,设置flag为true;
  2. 2.
    线程B读同一个volatile,step 3,读取到flag为true;
  3. 3.
    线程B读普通变量,step 4,读取到 a = 0;
  4. 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。
什么是内存屏障?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. 1.
    阻止屏障两侧的指令重排序;
  2. 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。这个策略是:
  • 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。
大概示意图是这个样子:
Could not load image
内存屏障
再逐个解释一下这几个屏障。注: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,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. 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. 2.
    如果第二个操作是volatile写,那无论第一个操作是什么,都不能重排序;
  3. 3.
    如果第一个操作是volatile写,第二个操作是volatile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

8.3 volatile的用途

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 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 s=memory //设置s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
3 s=memory //设置s指向刚分配的地址
2 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。这个时候线程A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的禁止重排序功能还是非常有用的。
参考资料
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8.1 几个基本概念
8.1.1 内存可见性
8.1.2 重排序
8.1.3 happens-before规则
8.2 volatile的内存语义
8.2.1 内存可见性
8.2.1 禁止重排序
8.3 volatile的用途