在 Java 并發(fā)編程中，有 3 個(gè)最常用的關(guān)鍵字：synchronized、ReentrantLock 和 volatile。

雖然 volatile 并不像其他兩個(gè)關(guān)鍵字一樣，能保證線程安全，但 volatile 也是并發(fā)編程中最常見(jiàn)的關(guān)鍵字之一。例如，單例模式、CopyOnWriteArrayList 和 ConcurrentHashMap 中都離不開(kāi) volatile。

那么，問(wèn)題來(lái)了，我們知道 synchronized 底層是通過(guò)監(jiān)視器 Monitor 實(shí)現(xiàn)的，ReentrantLock 底層是通過(guò) AQS 的 CAS 實(shí)現(xiàn)的，那 volatile 的底層是如何實(shí)現(xiàn)的？

1.volatile 作用

在了解 volatile 的底層實(shí)現(xiàn)之前，我們需要先了解 volatile 的作用，因?yàn)?volatile 的底層實(shí)現(xiàn)和它的作用息息相關(guān)。

volatile 作用有兩個(gè)：保證內(nèi)存可見(jiàn)性和有序性（禁止指令重排序）。

1.1 內(nèi)存可見(jiàn)性

說(shuō)到內(nèi)存可見(jiàn)性問(wèn)題就不得不提 Java 內(nèi)存模型，Java 內(nèi)存模型（Java Memory Model）簡(jiǎn)稱(chēng)為 JMM，主要是用來(lái)屏蔽不同硬件和操作系統(tǒng)的內(nèi)存訪問(wèn)差異的，因?yàn)樵诓煌挠布筒煌牟僮飨到y(tǒng)下，內(nèi)存的訪問(wèn)是有一定的差異得，這種差異會(huì)導(dǎo)致相同的代碼在不同的硬件和不同的操作系統(tǒng)下有著不一樣的行為，而 Java 內(nèi)存模型就是解決這個(gè)差異，統(tǒng)一相同代碼在不同硬件和不同操作系統(tǒng)下的差異的。

Java 內(nèi)存模型規(guī)定：所有的變量（實(shí)例變量和靜態(tài)變量）都必須存儲(chǔ)在主內(nèi)存中，每個(gè)線程也會(huì)有自己的工作內(nèi)存，線程的工作內(nèi)存保存了該線程用到的變量和主內(nèi)存的副本拷貝，線程對(duì)變量的操作都在工作內(nèi)存中進(jìn)行。線程不能直接讀寫(xiě)主內(nèi)存中的變量，如下圖所示：

然而，Java 內(nèi)存模型會(huì)帶來(lái)一個(gè)新的問(wèn)題，那就是內(nèi)存可見(jiàn)性問(wèn)題，也就是當(dāng)某個(gè)線程修改了主內(nèi)存中共享變量的值之后，其他線程不能感知到此值被修改了，它會(huì)一直使用自己工作內(nèi)存中的“舊值”，這樣程序的執(zhí)行結(jié)果就不符合我們的預(yù)期了，這就是內(nèi)存可見(jiàn)性問(wèn)題，我們用以下代碼來(lái)演示一下這個(gè)問(wèn)題：

private static boolean flag = false;
public static void main(String[] args) {
    Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            while (!flag) {

            }
            System.out.println("終止執(zhí)行");
        }
    });
    t1.start();
    Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("設(shè)置 flag=true");
            flag = true;
        }
    });
    t2.start();
}

以上代碼我們預(yù)期的結(jié)果是，在線程 1 執(zhí)行了 1s 之后，線程 2 將 flag 變量修改為 true，之后線程 1 終止執(zhí)行，然而，因?yàn)榫€程 1 感知不到 flag 變量發(fā)生了修改，也就是內(nèi)存可見(jiàn)性問(wèn)題，所以會(huì)導(dǎo)致線程 1 會(huì)永遠(yuǎn)的執(zhí)行下去，最終我們看到的結(jié)果是這樣的：

如何解決以上問(wèn)題呢？只需要給變量 flag 加上 volatile 修飾即可，具體的實(shí)現(xiàn)代碼如下：

private volatile static boolean flag = false;
public static void main(String[] args) {
    Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            while (!flag) {

            }
            System.out.println("終止執(zhí)行");
        }
    });
    t1.start();
    Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("設(shè)置 flag=true");
            flag = true;
        }
    });
    t2.start();
}

以上程序的執(zhí)行結(jié)果如下圖所示：

1.2 有序性

有序性也叫做禁止指令重排序。

指令重排序是指編譯器或 CPU 為了優(yōu)化程序的執(zhí)行性能，而對(duì)指令進(jìn)行重新排序的一種手段。

指令重排序的實(shí)現(xiàn)初衷是好的，但是在多線程執(zhí)行中，如果執(zhí)行了指令重排序可能會(huì)導(dǎo)致程序執(zhí)行出錯(cuò)。指令重排序最典型的一個(gè)問(wèn)題就發(fā)生在單例模式中，比如以下問(wèn)題代碼：

public class Singleton {
    private Singleton() {}
    private static Singleton instance = null;
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) { // ①
            synchronized (Singleton.class) {
             if (instance == null) {
                 instance = new Singleton(); // ②
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

以上問(wèn)題發(fā)生在代碼 ② 這一行“instance = new Singleton();”，這行代碼看似只是一個(gè)創(chuàng)建對(duì)象的過(guò)程，然而它的實(shí)際執(zhí)行卻分為以下 3 步：

• 創(chuàng)建內(nèi)存空間。
• 在內(nèi)存空間中初始化對(duì)象 Singleton。
• 將內(nèi)存地址賦值給 instance 對(duì)象（執(zhí)行了此步驟，instance 就不等于 null 了）。

如果此變量不加 volatile，那么線程 1 在執(zhí)行到上述代碼的第 ② 處時(shí)就可能會(huì)執(zhí)行指令重排序，將原本是 1、2、3 的執(zhí)行順序，重排為 1、3、2。但是特殊情況下，線程 1 在執(zhí)行完第 3 步之后，如果來(lái)了線程 2 執(zhí)行到上述代碼的第 ① 處，判斷 instance 對(duì)象已經(jīng)不為 null，但此時(shí)線程 1 還未將對(duì)象實(shí)例化完，那么線程 2 將會(huì)得到一個(gè)被實(shí)例化“一半”的對(duì)象，從而導(dǎo)致程序執(zhí)行出錯(cuò)，這就是為什么要給私有變量添加 volatile 的原因了。

要使以上單例模式變?yōu)榫€程安全的程序，需要給 instance 變量添加 volatile 修飾，它的最終實(shí)現(xiàn)代碼如下：

public class Singleton {
    private Singleton() {}
    // 使用 volatile 禁止指令重排序
    private static volatile Singleton instance = null; // 【主要是此行代碼發(fā)生了變化】
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) { // ①
            synchronized (Singleton.class) {
             if (instance == null) {
                 instance = new Singleton(); // ②
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

2.volatile 實(shí)現(xiàn)原理

volatile 實(shí)現(xiàn)原理和它的作用有關(guān)，我們首先先來(lái)看它的內(nèi)存可見(jiàn)性。

2.1 內(nèi)存可見(jiàn)性實(shí)現(xiàn)原理

volatile 內(nèi)存可見(jiàn)性主要通過(guò) lock 前綴指令實(shí)現(xiàn)的，它會(huì)鎖定當(dāng)前內(nèi)存區(qū)域的緩存（緩存行），并且立即將當(dāng)前緩存行數(shù)據(jù)寫(xiě)入主內(nèi)存（耗時(shí)非常短），回寫(xiě)主內(nèi)存的時(shí)候會(huì)通過(guò) MESI 協(xié)議使其他線程緩存了該變量的地址失效，從而導(dǎo)致其他線程需要重新去主內(nèi)存中重新讀取數(shù)據(jù)到其工作線程中。

什么 MESI 協(xié)議？

MESI 協(xié)議，全稱(chēng)為 Modified, Exclusive, Shared, Invalid，是一種高速緩存一致性協(xié)議。它是為了解決多處理器（CPU）在并發(fā)環(huán)境下，多個(gè) CPU 緩存不一致問(wèn)題而提出的。MESI 協(xié)議定義了高速緩存中數(shù)據(jù)的四種狀態(tài)：

• Modified（M）：表示緩存行已經(jīng)被修改，但還沒(méi)有被寫(xiě)回主存儲(chǔ)器。在這種狀態(tài)下，只有一個(gè) CPU 能獨(dú)占這個(gè)修改狀態(tài)。
• Exclusive（E）：表示緩存行與主存儲(chǔ)器相同，并且是主存儲(chǔ)器的唯一拷貝。這種狀態(tài)下，只有一個(gè) CPU 能獨(dú)占這個(gè)狀態(tài)。
• Shared（S）：表示此高速緩存行可能存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)的其他高速緩存中，并且與主存儲(chǔ)器匹配。在這種狀態(tài)下，各個(gè) CPU 可以并發(fā)的對(duì)這個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，但都不能進(jìn)行寫(xiě)操作。
• Invalid（I）：表示此緩存行無(wú)效或已過(guò)期，不能使用。

MESI 協(xié)議的主要用途是確保在多個(gè) CPU 共享內(nèi)存時(shí)，各個(gè) CPU 的緩存數(shù)據(jù)能夠保持一致性。當(dāng)某個(gè) CPU 對(duì)共享數(shù)據(jù)進(jìn)行修改時(shí)，它會(huì)將這個(gè)數(shù)據(jù)的狀態(tài)從 S（共享）或 E（獨(dú)占）狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)?M（修改）狀態(tài)，并等待適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)將這個(gè)修改寫(xiě)回主存儲(chǔ)器。同時(shí)，它會(huì)向其他 CPU 廣播一個(gè)“無(wú)效消息”，使得其他 CPU 將自己緩存中對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)镮（無(wú)效）狀態(tài)，從而在下次訪問(wèn)這個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)能夠從主存儲(chǔ)器或其他 CPU 的緩存中重新獲取正確的數(shù)據(jù)。

這種協(xié)議可以確保在多處理器環(huán)境中，各個(gè) CPU 的緩存數(shù)據(jù)能夠正確、一致地反映主存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)狀態(tài)，從而避免由于緩存不一致導(dǎo)致的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤或程序異常。

2.2 有序性實(shí)現(xiàn)原理

volatile 的有序性是通過(guò)插入內(nèi)存屏障（Memory Barrier），在內(nèi)存屏障前后禁止重排序優(yōu)化，以此實(shí)現(xiàn)有序性的。

什么是內(nèi)存屏障？

內(nèi)存屏障（Memory Barrier 或 Memory Fence）是一種硬件級(jí)別的同步操作，它強(qiáng)制處理器按照特定順序執(zhí)行內(nèi)存訪問(wèn)操作，確保內(nèi)存操作的順序性，阻止編譯器和 CPU 對(duì)內(nèi)存操作進(jìn)行不必要的重排序。內(nèi)存屏障可以確?？缭狡琳系淖x寫(xiě)操作不會(huì)交叉進(jìn)行，以此維持程序的內(nèi)存一致性模型。

在 Java 內(nèi)存模型（JMM）中，volatile 關(guān)鍵字用于修飾變量時(shí)，能夠保證該變量的可見(jiàn)性和有序性。關(guān)于有序性，volatile 通過(guò)內(nèi)存屏障的插入來(lái)實(shí)現(xiàn)：

• 寫(xiě)內(nèi)存屏障（Store Barrier / Write Barrier）：當(dāng)線程寫(xiě)入 volatile 變量時(shí)，JMM 會(huì)在寫(xiě)操作前插入 StoreStore 屏障，確保在這次寫(xiě)操作之前的所有普通寫(xiě)操作都已完成。接著在寫(xiě)操作后插入 StoreLoad 屏障，強(qiáng)制所有后來(lái)的讀寫(xiě)操作都在此次寫(xiě)操作完成之后執(zhí)行，這就確保了其他線程能立即看到 volatile 變量的最新值。
• 讀內(nèi)存屏障（Load Barrier / Read Barrier）：當(dāng)線程讀取 volatile 變量時(shí)，JMM 會(huì)在讀操作前插入 LoadLoad 屏障，確保在此次讀操作之前的所有讀操作都已完成。而在讀操作后插入 LoadStore 屏障，防止在此次讀操作之后的寫(xiě)操作被重排序到讀操作之前，這樣就確保了對(duì) volatile 變量的讀取總是能看到之前對(duì)同一變量或其他相關(guān)變量的寫(xiě)入結(jié)果。

通過(guò)這種方式，volatile 關(guān)鍵字有效地實(shí)現(xiàn)了內(nèi)存操作的順序性，從而保證了多線程環(huán)境下對(duì) volatile 變量的操作遵循 happens-before 原則，確保了并發(fā)編程的正確性。

2.3 簡(jiǎn)單回答

因?yàn)閮?nèi)存屏障的作用既能保證內(nèi)存可見(jiàn)性，同時(shí)又能禁止指令重排序。因此你也可以籠統(tǒng)的回答 volatile 是通過(guò)內(nèi)存屏障實(shí)現(xiàn)的。但是，回答的越細(xì)，面試的成績(jī)?cè)礁?，面試的通過(guò)率也就越高。

課后思考

什么是 happens-before 原則？除了 synchronized、ReentrantLock 和 volatile 之外，并發(fā)編程中還有哪些常見(jiàn)的關(guān)鍵字呢？它們背后的實(shí)現(xiàn)原理又是什么呢？

到此這篇關(guān)于淺析Java中關(guān)鍵詞volatile底層的實(shí)現(xiàn)原理的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java volatile原理內(nèi)容請(qǐng)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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