volatile內(nèi)存語義的實(shí)現(xiàn)

下面，讓我們來看看JMM如何實(shí)現(xiàn)volatile寫/讀的內(nèi)存語義。

前文我們提到過重排序分為編譯器重排序和處理器重排序。為了實(shí)現(xiàn)volatile內(nèi)存語義，JMM會(huì)分別限制這兩種類型的重排序類型。下面是JMM針對(duì)編譯器制定的volatile重排序規(guī)則表：

舉例來說，第三行最后一個(gè)單元格的意思是：在程序順序中，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，則編譯器不能重排序這兩個(gè)操作。

從上表我們可以看出：

當(dāng)?shù)诙€(gè)操作是volatile寫時(shí)，不管第一個(gè)操作是什么，都不能重排序。這個(gè)規(guī)則確保volatile寫之前的操作不會(huì)被編譯器重排序到volatile寫之后。
當(dāng)?shù)谝粋€(gè)操作是volatile讀時(shí)，不管第二個(gè)操作是什么，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。
當(dāng)?shù)谝粋€(gè)操作是volatile寫，第二個(gè)操作是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。對(duì)于編譯器來說，發(fā)現(xiàn)一個(gè)最優(yōu)布置來最小化插入屏障的總數(shù)幾乎不可能，為此，JMM采取保守策略。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。

上述內(nèi)存屏障插入策略非常保守，但它可以保證在任意處理器平臺(tái)，任意的程序中都能得到正確的volatile內(nèi)存語義。

下面是保守策略下，volatile寫插入內(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寫之前，其前面的所有普通寫操作已經(jīng)對(duì)任意處理器可見了。這是因?yàn)镾toreStore屏障將保障上面所有的普通寫在volatile寫之前刷新到主內(nèi)存。

這里比較有意思的是volatile寫后面的StoreLoad屏障。這個(gè)屏障的作用是避免volatile寫與后面可能有的volatile讀/寫操作重排序。因?yàn)榫幾g器常常無法準(zhǔn)確判斷在一個(gè)volatile寫的后面，是否需要插入一個(gè)StoreLoad屏障（比如，一個(gè)volatile寫之后方法立即return）。為了保證能正確實(shí)現(xiàn)volatile的內(nèi)存語義，JMM在這里采取了保守策略：在每個(gè)volatile寫的后面或在每個(gè)volatile讀的前面插入一個(gè)StoreLoad屏障。從整體執(zhí)行效率的角度考慮，JMM選擇了在每個(gè)volatile寫的后面插入一個(gè)StoreLoad屏障。因?yàn)関olatile寫-讀內(nèi)存語義的常見使用模式是：一個(gè)寫線程寫volatile變量，多個(gè)讀線程讀同一個(gè)volatile變量。當(dāng)讀線程的數(shù)量大大超過寫線程時(shí)，選擇在volatile寫之后插入StoreLoad屏障將帶來可觀的執(zhí)行效率的提升。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。

下面是在保守策略下，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。下面我們通過具體的示例代碼來說明：

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
    v1 = i + 1;     // 第一個(gè)volatile寫
    v2 = j * 2;     //第二個(gè) volatile寫
  }

  …          //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，最后的StoreLoad屏障不能省略。因?yàn)榈诙€(gè)volatile寫之后，方法立即return。此時(shí)編譯器可能無法準(zhǔn)確斷定后面是否會(huì)有volatile讀或?qū)?，為了安全起見，編譯器常常會(huì)在這里插入一個(gè)StoreLoad屏障。

上面的優(yōu)化是針對(duì)任意處理器平臺(tái)，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。以x86處理器為例，上圖中除最后的StoreLoad屏障外，其它的屏障都會(huì)被省略。

前面保守策略下的volatile讀和寫，在 x86處理器平臺(tái)可以優(yōu)化成：

前文提到過，x86處理器僅會(huì)對(duì)寫-讀操作做重排序。X86不會(huì)對(duì)讀-讀，讀-寫和寫-寫操作做重排序，因此在x86處理器中會(huì)省略掉這三種操作類型對(duì)應(yīng)的內(nèi)存屏障。在x86中，JMM僅需在volatile寫后面插入一個(gè)StoreLoad屏障即可正確實(shí)現(xiàn)volatile寫-讀的內(nèi)存語義。這意味著在x86處理器中，volatile寫的開銷比volatile讀的開銷會(huì)大很多（因?yàn)閳?zhí)行StoreLoad屏障開銷會(huì)比較大）。

JSR-133為什么要增強(qiáng)volatile的內(nèi)存語義

在JSR-133之前的舊Java內(nèi)存模型中，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。在舊的內(nèi)存模型中，VolatileExample示例程序可能被重排序成下列時(shí)序來執(zhí)行：

在舊的內(nèi)存模型中，當(dāng)1和2之間沒有數(shù)據(jù)依賴關(guān)系時(shí)，1和2之間就可能被重排序（3和4類似）。其結(jié)果就是：讀線程B執(zhí)行4時(shí)，不一定能看到寫線程A在執(zhí)行1時(shí)對(duì)共享變量的修改。

因此在舊的內(nèi)存模型中 ，volatile的寫-讀沒有監(jiān)視器的釋放-獲所具有的內(nèi)存語義。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，JSR-133專家組決定增強(qiáng)volatile的內(nèi)存語義：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，確保volatile的寫-讀和監(jiān)視器的釋放-獲取一樣，具有相同的內(nèi)存語義。從編譯器重排序規(guī)則和處理器內(nèi)存屏障插入策略來看，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。

由于volatile僅僅保證對(duì)單個(gè)volatile變量的讀/寫具有原子性，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。在功能上，監(jiān)視器鎖比volatile更強(qiáng)大；在可伸縮性和執(zhí)行性能上，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，請(qǐng)一定謹(jǐn)慎。

使用volatile關(guān)鍵字的場(chǎng)景

　　synchronized關(guān)鍵字是防止多個(gè)線程同時(shí)執(zhí)行一段代碼，那么就會(huì)很影響程序執(zhí)行效率，而volatile關(guān)鍵字在某些情況下性能要優(yōu)于synchronized，但是要注意volatile關(guān)鍵字是無法替代synchronized關(guān)鍵字的，因?yàn)関olatile關(guān)鍵字無法保證操作的原子性。通常來說，使用volatile必須具備以下2個(gè)條件：

　　1）對(duì)變量的寫操作不依賴于當(dāng)前值

　　2）該變量沒有包含在具有其他變量的不變式中

　　實(shí)際上，這些條件表明，可以被寫入 volatile 變量的這些有效值獨(dú)立于任何程序的狀態(tài)，包括變量的當(dāng)前狀態(tài)。

　　事實(shí)上，我的理解就是上面的2個(gè)條件需要保證操作是原子性操作，才能保證使用volatile關(guān)鍵字的程序在并發(fā)時(shí)能夠正確執(zhí)行。

　　下面列舉幾個(gè)Java中使用volatile的幾個(gè)場(chǎng)景。

1.狀態(tài)標(biāo)記量

volatile boolean flag = false;
 
while(!flag){
 doSomething();
}
 
public void setFlag() {
 flag = true;
}
 
volatile boolean inited = false;
//線程1:
context = loadContext(); 
inited = true;   
 
//線程2:
while(!inited ){
sleep()
}
doSomethingwithconfig(context);

2.double check

class Singleton{
 private volatile static Singleton instance = null;
  
 private Singleton() {
   
 }
  
 public static Singleton getInstance() {
  if(instance==null) {
   synchronized (Singleton.class) {
    if(instance==null)
     instance = new Singleton();
   }
  }
  return instance;
 }
}

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