volatile保證可見性及重排序方法

更新時間：2022年08月04日 14:48:56 作者：Mark_Zoe

這篇文章主要為大家介紹了volatile保證可見性及重排序方法詳解，有需要的朋友可以借鑒參考下，希望能夠有所幫助，祝大家多多進步，早日升職加薪

一、JMM的內存可見性保證

按程序類型，Java程序的內存可見性保證可以分為下列3類：

單線程程序：單線程程序不會出現(xiàn)內存可見性問題。編譯器、runtime和處理器會共同確保單線程程序的執(zhí)行結果與該程序在順序一致性模型中的執(zhí)行結果相同。

正確同步的多線程程序：正確同步的多線程程序的執(zhí)行將具有順序一致性（程序的執(zhí)行結果與該程序在順序一致性內存模型中的執(zhí)行結果相同）。這是JMM關注的重點，JMM通過限制編譯器和處理器的重排序來為程序員提供內存可見性保證。

未同步/未正確同步的多線程程序：JMM為它們提供了最小安全性保障：線程執(zhí)行時讀取到的值，要么是之前某個線程寫入的值，要么是默認值未同步程序在JMM中的執(zhí)行時，整體上是無序的，其執(zhí)行結果無法預知。 JMM不保證未同步程序的執(zhí)行結果與該程序在順序一致性模型中的執(zhí)行結果一致。

二、volatile的內存語義

1、volatile的特性

可見性：對一個volatile變量的讀，總是能看到（任意線程）對這個volatile變量最后的寫入。

原子性：對任意單個volatile變量的讀/寫具有原子性，但類似于volatile++這種復合操作不具有原子性（基于這點，我們通過會認為volatile不具備原子性）。volatile僅僅保證對單個volatile變量的讀/寫具有原子性，而鎖的互斥執(zhí)行的特性可以確保對整個臨界區(qū)代碼的執(zhí)行具有原子性。

有序性：對volatile修飾的變量的讀寫操作前后加上各種特定的內存屏障來禁止指令重排序來保障有序性。

volatile 寫-讀的內存語義：

當寫一個volatile變量時，JMM會把該線程對應的本地內存中的共享變量值刷新到主內存。

當讀一個volatile變量時，JMM會把該線程對應的本地內存置為無效，線程接下來將從主內存中讀取共享變量。

2、volatile可見性實現(xiàn)原理

JMM內存交互層面實現(xiàn)：volatile修飾的變量的read、load、use操作和assign、store、write必須是連續(xù)的，即修改后必須立即同步回主內存，使用時必須從主內存刷新，由此保證volatile變量操作對多線程的可見性。

硬件層面實現(xiàn)：通過lock前綴指令，會鎖定變量緩存行區(qū)域并寫回主內存，這個操作稱為“緩存鎖定”，緩存一致性機制會阻止同時修改被兩個以上處理器緩存的內存區(qū)域數(shù)據(jù)。一個處理器的緩存回寫到內存會導致其他處理器的緩存無效。

三、指令重排序

Java語言規(guī)范規(guī)定JVM線程內部維持順序化語義。即只要程序的最終結果與它順序化情況的結果相等，那么指令的執(zhí)行順序可以與代碼順序不一致，此過程叫指令的重排序。指令重排序的意義：JVM能根據(jù)處理器特性（CPU多級緩存系統(tǒng)、多核處理器等）適當?shù)膶C器指令進行重排序，使機器指令能更符合CPU的執(zhí)行特性，最大限度的發(fā)揮機器性能。在編譯器與CPU處理器中都能執(zhí)行指令重排優(yōu)化操作。