1、volatile的特性

理解volatile特性的一個(gè)好辦法是把對volatile變量的單個(gè)讀/寫，看成是使用同一個(gè)鎖對單個(gè)讀/寫操作做了同步。

代碼示例：

package com.lizba.p1;

/**
 * <p>
 *      volatile示例
 * </p>
 *
 * @Author: Liziba
 * @Date: 2021/6/9 21:34
 */
public class VolatileFeatureExample {

    /** 使用volatile聲明64位的long型變量 */
    volatile long v1 = 0l;

    /**
     * 單個(gè)volatile寫操作
     * @param l
     */
    public void set(long l) {
        v1 = l;
    }

    /**
     * 復(fù)合(多個(gè))volatile讀&寫
     */
    public void getAndIncrement() {
        v1++;
    }

    /**
     * 單個(gè)volatile變量的讀
     * @return
     */
    public long get() {
        return v1;
    }

}

假設(shè)有多個(gè)線程分別調(diào)用上面程序的3個(gè)方法，這個(gè)程序在語義上和下面程序等價(jià)。

package com.lizba.p1;

/**
 * <p>
 *      synchronized等價(jià)示例
 * </p>
 *
 * @Author: Liziba
 * @Date: 2021/6/9 21:46
 */
public class SynFeatureExample {

    /** 定義一個(gè)64位長度的普通變量 */
    long v1 = 0L;

    /**
     * 使用同步鎖對v1變量進(jìn)行寫操作
     * @param l
     */
    public synchronized void set(long l) {
        v1 = l;
    }


    /**
     *  通過同步讀和同步寫方法對v1進(jìn)行+1操作
     */
    public void getAndIncrement() {
        long temp = get();
        // v1加一
        temp += 1L;
        set(temp);
    }

    /**
     * 使用同步鎖對v1進(jìn)行讀操作
     * @return
     */
    public synchronized long get() {
        return v1;
    }

}

如上兩個(gè)程序所示，一個(gè)volatile變量的單個(gè)讀\寫操作，與一個(gè)普通變量的讀\寫操作都是使用同一個(gè)鎖來同步，它們之間的執(zhí)行效果相同。

上述代碼總結(jié)：

鎖的happens-before規(guī)則保證釋放鎖和獲取鎖的兩個(gè)線程之間的內(nèi)存可見性，這意味著對一個(gè)volatile變量的讀，總能看到（任意線程）對這個(gè)volatile變量最后的寫入。
鎖的語義決定了臨界區(qū)代碼的執(zhí)行具有原子性。這意味著，即使是64位的long型和double型變量，只要它是volatile變量，對該變量的讀/寫就具有原子性。如果是多個(gè)volatile操作或類似于volatile++這種復(fù)合操作，這些操作整體上不具備原子性。

總結(jié)volatile特性：

• 可見性。對一個(gè)volatile變量的讀，總是能看到（任意線程）對這個(gè)volatile變量最后的寫入。
• 原子性。對任意volatile變量的讀/寫具有原子性，但類似volatile++這種復(fù)合操作不具有原子性。

2、volatile寫-讀建立的happens-before關(guān)系

• 對于程序員來說，我們更加需要關(guān)注的是volatile對線程內(nèi)存的可見性。

從JDK1.5（JSR-133）開始，volatile變量的寫-讀可以實(shí)現(xiàn)線程之間的通信。從內(nèi)存語義的角度來說，volatile的寫-讀與鎖的釋放-獲取有相同的內(nèi)存效果。

• volatile的寫和鎖的釋放有相同的內(nèi)存語義
• volatile的讀和鎖的獲取有相同的內(nèi)存語義
  

代碼示例：

package com.lizba.p1;

/**
 * <p>
 *
 * </p>
 *
 * @Author: Liziba
 * @Date: 2021/6/9 22:23
 */
public 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
            System.out.println(i);
        }
    }
    
}

假設(shè)線程A執(zhí)行writer()方法之后，線程B執(zhí)行reader()方法。根據(jù)happens-before規(guī)則，

這個(gè)過程建立的happens-before關(guān)系如下：

• 根據(jù)程序次序規(guī)則，1 happens-before 2， 3 happens-before 4。
• 根據(jù)volatile規(guī)則，2 happens-before 3。
• 根據(jù)happens-before的傳遞性規(guī)則，1 happens-before 4。
  

圖示上述happens-before關(guān)系：

總結(jié)：這里A線程寫一個(gè)volatile變量后，B線程讀同一個(gè)volatile變量。A線程在寫volatile變量之前所有可見的共享變量，在B線程讀同一個(gè)volatile變量后，將立即對B線程可見。

3、volatile寫-讀的內(nèi)存語義

volatile寫的內(nèi)存語義

當(dāng)寫一個(gè)volatile變量時(shí)，JMM會(huì)把該線程對應(yīng)的本地內(nèi)存中的共享變量值刷新到主內(nèi)存。

以上面的VolatileExample為例，假設(shè)A線程首先執(zhí)行writer()方法，隨后線程B執(zhí)行reader()方法，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)。

A執(zhí)行volatile寫后，共享變量狀態(tài)示意圖。

線程A在寫flag變量后，本地內(nèi)存A中被線程A更新過的兩個(gè)共享變量的值被刷新到主內(nèi)存中，此時(shí)A的本地內(nèi)存和主內(nèi)存中的值是一致的。

volatile讀的內(nèi)存語義

當(dāng)讀一個(gè)volatile變量時(shí)，JMM會(huì)把該線程對應(yīng)的本地內(nèi)存置為無效。線程接下來將會(huì)從主內(nèi)存中讀取共享變量。

B執(zhí)行volatile讀后，共享變量的狀態(tài)示意圖:

在讀flag變量后，本地內(nèi)存B包含的值已經(jīng)被置為無效。此時(shí)，線程B必須從主內(nèi)存中重新讀取共享變量。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變?yōu)橐恢隆?/p>

總結(jié)volatile的寫和volatile讀的內(nèi)存語義

• 線程A寫一個(gè)volatile變量，實(shí)質(zhì)上是線程A向接下來將要讀這個(gè)volatile變量的某個(gè)線程發(fā)出了（其對共享變量所做修改的）消息。
• 線程B讀一個(gè)volatile變量，實(shí)質(zhì)上是線程B接收了之前某個(gè)線程發(fā)出的（在寫這個(gè)volatile變量之前對共享變量所做修改的）消息。
• 線程A寫一個(gè)volatile變量，隨后線程B讀這個(gè)volatile變量，這個(gè)過程實(shí)質(zhì)上是線程A通過主內(nèi)存向線程B發(fā)送消息。

4、volatile內(nèi)存語義實(shí)現(xiàn)

程序的重排序分為編譯器重排序和處理器重排序（我的前面的博文內(nèi)容有寫哈）。為了實(shí)現(xiàn)volatile內(nèi)存語義，JMM會(huì)分別禁止這兩種類型的重排序。

volatile重排序規(guī)則表:

上圖舉例：第一行最后一個(gè)單元格意思是，在程序中第一個(gè)操作為普通讀/寫時(shí)，如果第二個(gè)操作為volatile寫，則編譯器不能重排序。

總結(jié)上圖：

• 第二個(gè)操作是volatile寫時(shí)，都不能重排序。確保volatile寫之前的操作不會(huì)被編譯器重排序到volatile之后
• 第一個(gè)操作為volatile讀時(shí)，都不能重排序。確保volatile讀之后的操作不會(huì)被編譯器重排序到volatile之前
• 第一個(gè)操作為volatile寫，第二個(gè)操作為volatile讀時(shí)，不能重排序。
  

為了實(shí)現(xiàn)volatile的內(nèi)存語義，編譯器在生成字節(jié)碼時(shí)，會(huì)在指令序列中插入內(nèi)存屏障來禁止特定類型的處理器重排序。

JMM采取的是保守策略內(nèi)存屏障插入策略，如下：

• 在每個(gè)volatile寫操作屏障前面插入一個(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。
  

保守策略可以保證在任意處理器平臺上，任意程序中都能得到正確的volatile內(nèi)存語義。

保守策略下，volatile寫插入內(nèi)存屏障后生成的指令序列圖：

解釋：

StoreStore屏障可以保證在volatile寫之前，其前面所有普通寫操作已經(jīng)對任意處理器可見了。這是因?yàn)镾toreStore屏障將保障上面所有普通寫在volatile寫之前刷新到主內(nèi)存。

保守策略下，volatile讀插入內(nèi)存屏障后生成的指令序列圖：

解釋：

LoadLoad屏障用來禁止處理器把上面的volatile讀與下面的普通讀重排序。LoadStore屏障用來禁止處理器把上面的volatile讀與下面的普通寫重排序。

上述volatile寫和volatile讀的內(nèi)存屏障插入策略非常保守。在實(shí)際執(zhí)行時(shí)，只要不改變volatile寫-讀的內(nèi)存語義，編譯器可以根據(jù)具體情況省略不必要的屏障。

代碼示例：

package com.lizba.p1;

/**
 * <p>
 *      volatile屏障示例
 * </p>
 *
 * @Author: Liziba
 * @Date: 2021/6/9 23:48
 */
public class VolatileBarrierExample {

    int a;
    volatile int v1 = 1;
    volatile int v2 = 2;

    void readAndWrite() {
        // 第一個(gè)volatile讀
        int i = v1;
        // 第二個(gè)volatile讀
        int j = v2;
        // 普通寫
        a = i + j;
        // 第一個(gè)volatile寫
        v1 = i + 1;
        // 第二個(gè)volatile寫
        v2 = j * 2;
    }

    // ... 其他方法

}

針對VolatileBarrierExample的readAndWrite()，編譯器生成字節(jié)碼時(shí)可以做如下優(yōu)化：

注意：最后的StoreLoad屏障無法省略。因?yàn)榈诙€(gè)volatile寫之后，程序return。此時(shí)編譯器無法準(zhǔn)確斷定后面是否會(huì)有volatile讀寫操作，為了安全起見，編譯器通常會(huì)在這里插入一個(gè)StoreLoad屏障。

上面的優(yōu)化可以針對任意處理器平臺，但是由于不同的處理器有不同的“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。

X86處理器平臺優(yōu)化

X86處理器僅會(huì)對寫-讀操作做重排序。X86不會(huì)對讀-讀、讀-寫和寫-寫重排序，因此X86處理器會(huì)省略掉這3種操作類型對應(yīng)的內(nèi)存屏障。在X86平臺中，JMM僅需要在volatile寫后插入一個(gè)StoreLoad屏障即可正確實(shí)現(xiàn)volatile寫-讀內(nèi)存語義。同時(shí)這樣意味著X86處理器中，volatile寫的開銷會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于讀的開銷。

5、volatile和鎖的比較

功能上：

鎖比volatile更強(qiáng)大

可伸縮性和執(zhí)行性能上：

volatile更具有優(yōu)勢

到此這篇關(guān)于并發(fā)編程之Java內(nèi)存模型volatile的內(nèi)存語義的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java內(nèi)存模型volatile的內(nèi)存語義內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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