一、前言

之前我們學(xué)習(xí)過synchronized，知道它是一個(gè)重量級的鎖，雖然jdk1.6對其做了很大的優(yōu)化，但是成本還是較高。因此Java另一個(gè)關(guān)鍵字閃亮登場——volatile。volatile又被稱為輕量級的synchronized，它在多處理器中保證了共享變量的可見性。volatile變量修飾符如果使用恰當(dāng)?shù)脑?，它比synchronized的使用和執(zhí)行成本會(huì)更低。下面我們將深入剖析volatile的實(shí)現(xiàn)原理。

二、什么是volatile

Java語言規(guī)范第3版中對volatile的定義如下

Java編程語言允許線程訪問共享變量，為了確保共享變量能被準(zhǔn)確和一致地更新，線程應(yīng)該確保通過排他鎖單獨(dú)獲得這個(gè)變量。Java語言提供了volatile，在某些情況下比鎖要更加方便。如果一個(gè)字段被聲明成volatile，Java線程內(nèi)存模型確保所有線程看到這個(gè)變量的值是一致的。

三、volatile的語義

當(dāng)一個(gè)共享變量被volatile修飾之后，這個(gè)變量就具備了兩層語義：

• 保證共享變量的可見性：保證了不同線程對這個(gè)變量進(jìn)行操作時(shí)的可見性，即一個(gè)線程修改了某個(gè)變量的值，這新值對其他線程來說是立即可見的。
• 防止局部指令重排序：happens-before規(guī)則中的volatile變量規(guī)則規(guī)定了一個(gè)線程先去寫一個(gè)volatile變量，然后一個(gè)線程去讀這個(gè)變量，那么這個(gè)寫操作的結(jié)果一定對讀的這個(gè)線程可見。

四、volatile的使用

1. volatile保證共享變量的可見性

public class MyTest {
    public static boolean stop = false;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //線程1
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            while (!stop) {
                //do something...
            }
        });
        //線程2
        Thread thread2 = new Thread(() -> doStop());
        thread1.start();
        //這里的睡眠是保證線程1先執(zhí)行
        Thread.sleep(1000);
        thread2.start();
    }
    public static void doStop() {
        stop = true;
    }
}

如上所示的代碼，主要用于線程2去利用共享變量stop去中斷線程1的執(zhí)行。正常情況下如果線程2先執(zhí)行，線程1再執(zhí)行不會(huì)有問題，線程2能夠正常結(jié)束線程1的執(zhí)行，但是上述的代碼會(huì)一直死循環(huán)無法結(jié)束。

這是因?yàn)榫€程1先執(zhí)行，此時(shí)stop的值初始為false，線程1執(zhí)行死循環(huán)。根據(jù)Java內(nèi)存模型，每個(gè)線程不能直接訪問主內(nèi)存的，需另拷貝一份到自己的工作內(nèi)存中。因此線程1執(zhí)行的時(shí)候會(huì)拷貝stop的副本到自己的工作空間內(nèi)，而線程2執(zhí)行的時(shí)候雖然修改了stop的值，但是線程1感知不到，因此會(huì)一直死循環(huán)。

因此我們可以使用volatile關(guān)鍵字修改stop變量

public static volatile boolean stop =false;

這里的volatile有兩個(gè)作用

• 被volatile關(guān)鍵字修飾的變量修改時(shí)會(huì)立即寫入主內(nèi)存
• 被volatile關(guān)鍵字修飾的變量修改時(shí)，其余線程存放的該變量的副本會(huì)被置為無效

因此當(dāng)線程2修改stop的值的時(shí)候，會(huì)立即寫回主內(nèi)存，同時(shí)使線程1的工作內(nèi)存中的stop變量置為無效。線程1在每次循環(huán)讀取stop的時(shí)候發(fā)現(xiàn)自己的stop變量無效了，會(huì)重新去主內(nèi)存讀取最新的stop的值，即讀取到線程2修改過的最新值，程序正常結(jié)束。

2. volatile保證一定程度的有序性

//線程1:
context = loadContext();   //語句1
inited = true;             //語句2
//線程2:
while(!inited ){
    sleep()
}
doSomethingwithconfig(context);

借用網(wǎng)上的一個(gè)經(jīng)典案例，線程1負(fù)責(zé)初始化上下文，線程2則是線程1初始化結(jié)束后進(jìn)行的后續(xù)操作。我們知道處理器為了提高程序運(yùn)行效率，可能會(huì)對輸入代碼進(jìn)行重排優(yōu)化，其中語句1和語句2不存在依賴關(guān)系，因此處理器可能會(huì)將語句1和語句2進(jìn)行調(diào)換順序，即先執(zhí)行語句2再執(zhí)行語句1，那么如果線程1先執(zhí)行完語句2，還沒有來得及執(zhí)行語句1的時(shí)候，線程開始執(zhí)行，發(fā)現(xiàn)inited已經(jīng)為true，它就會(huì)認(rèn)為上下文已經(jīng)被初始化完成了，從而會(huì)調(diào)用doSomethingwithconfig方法，此時(shí)就會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤。因此我們可以使用volatile關(guān)鍵字修改inited變量，這樣會(huì)禁止inited語句前后的重排序，從而保證了線程安全性。

五、volatile的實(shí)現(xiàn)機(jī)制和原理

通過前面對volatile的語義的使用的介紹，相信大家已經(jīng)有了一個(gè)初步的了解，但是volatile為什么會(huì)實(shí)現(xiàn)這些特性呢？接來下我們就正式進(jìn)入volatile底層原理的講解。

1. 內(nèi)存屏障

在介紹原理前，我們先了解一下內(nèi)存屏障。

1.1 什么是內(nèi)存屏障

• 內(nèi)存屏障（memory barrier）是一個(gè)CPU指令。這條指令可以確保一些特定指令的執(zhí)行順序，影響一些數(shù)據(jù)的可見性(可能是某些指令執(zhí)行后的結(jié)果)。
• 插入一個(gè)內(nèi)存屏障，相當(dāng)于告訴CPU和編譯器先于這個(gè)命令的必須先執(zhí)行，后于這個(gè)命令的必須后執(zhí)行。內(nèi)存屏障另一個(gè)作用是強(qiáng)制更新一次不同CPU的緩存。

1.2 內(nèi)存屏障的分類

• LoadLoad屏障

Load1; 
LoadLoad屏障; 
Load2;

Load1 和 Load2 代表兩條讀取指令。在Load2要讀取的數(shù)據(jù)被訪問前，保證Load1要讀取的數(shù)據(jù)被讀取完畢。

• StoreStore屏障

Store1;
StoreStore屏障;
Store2;

Store1 和 Store2代表兩條寫入指令。在Store2寫入執(zhí)行前，保證Store1的寫入操作對其它處理器可見。

• LoadStore屏障

Load1;
LoadStore屏障;
Store2;

在Store2被寫入前，保證Load1要讀取的數(shù)據(jù)被讀取完畢。

• StoreLoad屏障

Store1;
StoreLoad屏障;
Load2;

在Load2讀取操作執(zhí)行前，保證Store1的寫入對所有處理器可見。StoreLoad屏障的開銷是四種屏障中最大的。

2. 實(shí)現(xiàn)機(jī)制

從代碼的層面我們看不到volatile的實(shí)現(xiàn)機(jī)制，因此我們需要從匯編指令的層次進(jìn)行研究，我們查看一下第四章第一節(jié)代碼中doStop方法的匯編指令

# 可以看到此時(shí)有一個(gè)lock前綴指令
0x0000000003226f6e: lock add dword ptr [rsp],0h  ;*putstatic stop
                                                ; - com.jicl.MyTest::doStop@1 (line 35)

lock前綴指令實(shí)際上相當(dāng)于一個(gè)內(nèi)存屏障（也成內(nèi)存柵欄），它會(huì)提供3個(gè)功能：

確保指令重排序時(shí)不會(huì)把其后面的指令排到內(nèi)存屏障之前的位置，也不會(huì)把前面的指令排到內(nèi)存屏障的后面；即在執(zhí)行到內(nèi)存屏障這句指令時(shí)，在它前面的操作已經(jīng)全部完成；

強(qiáng)制將對緩存的修改操作立即寫入主存，利用緩存一致性機(jī)制，并且緩存一致性機(jī)制會(huì)阻止同時(shí)修改由兩個(gè)以上CPU緩存的內(nèi)存區(qū)域數(shù)據(jù)。

如果是寫操作，它會(huì)導(dǎo)致其他CPU中對應(yīng)的緩存行無效。

volatile的底層實(shí)現(xiàn)是通過插入內(nèi)存屏障，但是對于編譯器來說，發(fā)現(xiàn)一個(gè)最優(yōu)布置來最小化插入內(nèi)存屏障的總數(shù)幾乎是不可能的，所以，JMM采用了保守策略。如下：

• 在每一個(gè)volatile寫操作前面插入一個(gè)StoreStore屏障：保證在volatile寫之前，其前面的所有普通寫操作都已經(jīng)刷新到主內(nèi)存中
• 在每一個(gè)volatile寫操作后面插入一個(gè)StoreLoad屏障：避免volatile寫與后面可能有的volatile讀/寫操作重排序
• 在每一個(gè)volatile讀操作后面插入一個(gè)LoadLoad屏障：禁止處理器把上面的volatile讀與下面的普通讀重排序
• 在每一個(gè)volatile讀操作后面插入一個(gè)LoadStore屏障：禁止處理器把上面的volatile讀與下面的普通寫重排序

3. 實(shí)現(xiàn)原理

在介紹完volatile的底層實(shí)現(xiàn)機(jī)制，我們來分析volatile是如何實(shí)現(xiàn)可見性和有序性的

3.1 可見性

如果對聲明了volatile變量進(jìn)行寫操作時(shí)，JVM會(huì)向處理器發(fā)送一條Lock前綴的指令，將這個(gè)變量所在緩存行的數(shù)據(jù)寫會(huì)到系統(tǒng)內(nèi)存。這一步確保了如果有其他線程對聲明了volatile變量進(jìn)行修改，則立即更新主內(nèi)存中數(shù)據(jù)。但這時(shí)候其他處理器的緩存還是舊的，所以在多處理器環(huán)境下，為了保證各個(gè)處理器緩存一致，每個(gè)處理會(huì)通過嗅探在總線上傳播的數(shù)據(jù)來檢查自己的緩存是否過期，當(dāng)處理器發(fā)現(xiàn)自己緩存行對應(yīng)的內(nèi)存地址被修改了，就會(huì)將當(dāng)前處理器的緩存行設(shè)置成無效狀態(tài)，當(dāng)處理器要對這個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改操作時(shí)，會(huì)強(qiáng)制重新從系統(tǒng)內(nèi)存把數(shù)據(jù)讀到處理器緩存里。 這一步確保了其他線程獲得的聲明了volatile變量都是從主內(nèi)存中獲取最新的。

3.2 有序性

Lock前綴指令實(shí)際上相當(dāng)于一個(gè)內(nèi)存屏障（也成內(nèi)存柵欄），它確保指令重排序時(shí)不會(huì)把其后面的指令排到內(nèi)存屏障之前的位置，也不會(huì)把前面的指令排到內(nèi)存屏障的后面；即在執(zhí)行到內(nèi)存屏障這句指令時(shí)，在它前面的操作已經(jīng)全部完成。

到此這篇關(guān)于深入解析Java中volatile的底層原理的文章就介紹到這了,更多相關(guān)volatile的底層原理內(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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