深入分析Volatile的实现原理

柔光的暖阳◎ 2022-06-18 02:36 198阅读 0赞

**1、引言**

在多线程并发编程中synchronized和Volatile都扮演着重要的角色，Volatile是轻量级的synchronized，它在多处理器开发中保证了共享变量的“可见性”。可见性的意思是当一个线程修改一个共享变量时，另外一个线程能读到这个修改的值。它在某些情况下比synchronized的开销更小，下面我们将深入分析Voliate的实现原理。

**2、Volatile定义**

java编程语言允许线程访问共享变量，为了确保共享变量能被准确和一致的更新，线程应该确保通过排他锁单独获得这个变量。Java语言提供了volatile，在某些情况下比锁更加方便。如果一个字段被声明成volatile，java线程内存模型确保所有线程看到这个变量的值是一致的。**volatile可以保证线程可见性且提供了一定的有序性，但是无法保证原子性**。在JVM底层volatile是采用“内存屏障”来实现的。

即一旦一个共享变量（类的成员变量、类的静态成员变量）被volatile修饰之后，那么就具备了两层语义：

（1）保证了不同线程对这个变量进行操作时的可见性，即一个线程修改了某个变量的值，这新值对其他线程来说是立即可见的。保证可见性、不保证原子性。  
（2）禁止进行指令重排序。

关于这两层语义的详细情况，如果不是很理解，可以看博文：[并发编程——原子性，可见性和有序性][Link 1]

**3、为什么要使用Volatile**

Volatile变量修饰符如果使用恰当的话，它**比synchronized的使用和执行成本会更低，因为它不会引起线程上下文的切换和调度**。

**4、Voliate保证可见性**

先看一段代码，假如线程1先执行，线程2后执行：

//线程1
    boolean stop = false;
    while(!stop){
        doSomething();
    }
    
    //线程2
    stop = true;

这段代码是很典型的一段代码，很多人在中断线程时可能都会采用这种标记办法。但是事实上，这段代码会完全运行正确么？即一定会将线程中断么？不一定，也许在大多数时候，这个代码能够把线程中断，但是也有可能会导致无法中断线程（虽然这个可能性很小，但是只要一旦发生这种情况就会造成死循环了）。下面解释一下这段代码为何有可能导致无法中断线程。

前面文章 [Java内存模型][Java] 中我们说过，每个线程在运行过程中都有自己的工作内存，那么线程1在运行的时候，会将stop变量的值拷贝一份放在自己的工作内存当中。那么当线程2更改了stop变量的值之后，但是还没来得及写入主存当中，线程2转去做其他事情了，那么线程1由于不知道线程2对stop变量的更改，因此还会一直循环下去。

但是用volatile修饰之后就变得不一样了：

**第一**：使用volatile关键字会强制将修改的值立即写入主存；

**第二**：使用volatile关键字的话，当线程2进行修改时，会导致线程1的工作内存中缓存变量stop的缓存行无效（反映到硬件层的话，就是CPU的L1或者L2缓存中对应的缓存行无效）；

**第三：**由于线程1的工作内存中缓存变量stop的缓存行无效，所以线程1再次读取变量stop的值时会去主存读取。

那么在线程2修改stop值时（当然这里包括2个操作，修改线程2工作内存中的值，然后将修改后的值写入内存），会使得线程1的工作内存中缓存变量stop的缓存行无效，然后线程1读取时，发现自己的缓存行无效，它会等待缓存行对应的主存地址被更新之后，然后去对应的主存读取最新的值。那么线程1读取到的就是最新的正确的值。

**5、volatile不能保证原子性**

Volatile不保证对变量的操作是原子性，下面看一个例子：

public class Test {
        public volatile int inc = 0;
    
        public void increase() {
            inc++;
        }
    
        public static void main(String[] args) {
            final Test test = new Test();
            for(int i=0;i<10;i++){
                new Thread(){
                    public void run() {
                        for(int j=0;j<1000;j++)
                            test.increase();
                    };
                }.start();
            }
    
            while(Thread.activeCount()>1)  //保证前面的线程都执行完
                Thread.yield();
            System.out.println(test.inc);
        }
    }

上面程序的输出有人认为是10000。但是事实上运行它会发现每次运行结果都不一致，都是一个小于10000的数字。可能有人就会有疑问，不对啊，上面是对变量inc进行自增操作，由于volatile保证了可见性，那么在每个线程中对inc自增完之后，在其他线程中都能看到修改后的值啊，所以有10个线程分别进行了1000次操作，那么最终inc的值应该是1000\*10=10000。

这里面就有一个误区了，volatile关键字能保证可见性没有错，但是上面的程序错在没能保证原子性。可见性只能保证每次读取的是最新的值，但是volatile没办法保证对变量的操作的原子性。在前面已经提到过，自增操作是不具备原子性的，它包括读取变量的原始值、进行加1操作、写入工作内存。那么就是说自增操作的三个子操作可能会分割开执行，就有可能导致下面这种情况出现：

（1）假如某个时刻变量inc的值为10，线程1对变量进行自增操作，线程1先读取了变量inc的原始值，然后线程1被阻塞了；

（2）然后线程2对变量进行自增操作，线程2也去读取变量inc的原始值，由于线程1只是对变量inc进行读取操作，而没有对变量进行修改操作，所以不会导致线程2的工作内存中缓存变量inc的缓存行无效，所以线程2会直接去主存读取inc的值，发现inc的值时10，然后进行加1操作，并把11写入工作内存，最后写入主存。

（3）然后线程1接着进行加1操作，由于已经读取了inc的值，注意此时在线程1的工作内存中inc的值仍然为10，所以线程1对inc进行加1操作后inc的值为11，然后将11写入工作内存，最后写入主存。

（4）那么两个线程分别进行了一次自增操作后，inc只增加了1。

解释到这里，可能有朋友会有疑问，不对啊，前面不是保证一个变量在修改volatile变量时，会让缓存行无效吗？然后其他线程去读就会读到新的值，对，这个没错。这个就是上面的happens-before规则中的volatile变量规则，但是要注意，线程1对变量进行读取操作之后，被阻塞了的话，并没有对inc值进行修改。然后虽然volatile能保证线程2对变量inc的值读取是从内存中读取的，但是线程1没有进行修改，所以线程2根本就不会看到修改的值。

根源就在这里，自增操作不是原子性操作，而且volatile也无法保证对变量的任何操作都是原子性的。把上面的代码改成以下任何一种都可以达到效果：

**5.1 采用synchronized**

public class Test {
        public  int inc = 0;
    
        public synchronized void increase() {
            inc++;
        }
    
        public static void main(String[] args) {
            final Test test = new Test();
            for(int i=0;i<10;i++){
                new Thread(){
                    public void run() {
                        for(int j=0;j<1000;j++)
                            test.increase();
                    };
                }.start();
            }
    
            while(Thread.activeCount()>1)  //保证前面的线程都执行完
                Thread.yield();
            System.out.println(test.inc);
        }
    }

**5.2 采用Lock**

public class Test {
        public  int inc = 0;
        Lock lock = new ReentrantLock();
    
        public  void increase() {
            lock.lock();
            try {
                inc++;
            } finally{
                lock.unlock();
            }
        }
    
        public static void main(String[] args) {
            final Test test = new Test();
            for(int i=0;i<10;i++){
                new Thread(){
                    public void run() {
                        for(int j=0;j<1000;j++)
                            test.increase();
                    };
                }.start();
            }
    
            while(Thread.activeCount()>1)  //保证前面的线程都执行完
                Thread.yield();
            System.out.println(test.inc);
        }
    }

**5.3 采用AtomicInteger**

public class Test {
        public  AtomicInteger inc = new AtomicInteger();
    
        public  void increase() {
            inc.getAndIncrement();
        }
    
        public static void main(String[] args) {
            final Test test = new Test();
            for(int i=0;i<10;i++){
                new Thread(){
                    public void run() {
                        for(int j=0;j<1000;j++)
                            test.increase();
                    };
                }.start();
            }
    
            while(Thread.activeCount()>1)  //保证前面的线程都执行完
                Thread.yield();
            System.out.println(test.inc);
        }
    }

在java 1.5的java.util.concurrent.atomic包下提供了一些原子操作类，即对基本数据类型的 自增（加1操作），自减（减1操作）、以及加法操作（加一个数），减法操作（减一个数）进行了封装，保证这些操作是原子性操作。

**6、volatile一定程度保证有序性**

在前面提到volatile关键字能禁止指令重排序，所以volatile能在一定程度上保证有序性。volatile关键字禁止指令重排序有两层意思：

（1）当程序执行到volatile变量的读操作或者写操作时，在其前面的操作的更改肯定全部已经进行，且结果已经对后面的操作可见；在其后面的操作肯定还没有进行；

（2）在进行指令优化时，不能将在对volatile变量访问的语句放在其后面执行，也不能把volatile变量后面的语句放到其前面执行。

可能上面说的比较绕，举个简单的例子：

//x、y为非volatile变量
    //flag为volatile变量
    
    x = 2;        //语句1
    y = 0;        //语句2
    flag = true;  //语句3
    x = 4;         //语句4
    y = -1;       //语句5

由于flag变量为volatile变量，那么在进行指令重排序的过程的时候，不会将语句3放到语句1、语句2前面，也不会讲语句3放到语句4、语句5后面。但是要注意语句1和语句2的顺序、语句4和语句5的顺序是不作任何保证的。并且volatile关键字能保证，执行到语句3时，语句1和语句2必定是执行完毕了的，且语句1和语句2的执行结果对语句3、语句4、语句5是可见的。那么我们回到前面举的一个例子：

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

前面举这个例子的时候，提到有可能语句2会在语句1之前执行，那么就可能导致context还没被初始化，而线程2中就使用未初始化的context去进行操作，导致程序出错。这里如果用volatile关键字对inited变量进行修饰，就不会出现这种问题了，因为当执行到语句2时，必定能保证context已经初始化完毕。

**7、volatile的实现机制和原理**

**7.1 实现机制**

前面讲述了源于volatile关键字的一些使用，下面我们来探讨一下volatile到底如何保证可见性和禁止指令重排序的。在x86处理器下通过工具获取JIT编译器生成的汇编指令来看看对Volatile进行写操作CPU会做什么事情。

Java代码: instance = new Singleton();//instance是volatile变量
    汇编代码:  0x01a3de1d: movb $0x0,0x1104800(%esi);0x01a3de24: lock addl $0x0,(%esp);

观察加入volatile关键字和没有加入volatile关键字时所生成的汇编代码发现，加入volatile关键字时，会多出一个lock前缀指令。lock前缀指令实际上相当于一个内存屏障（也成内存栅栏），内存屏障会提供3个功能：

（1）它确保指令重排序时不会把其后面的指令排到内存屏障之前的位置，也不会把前面的指令排到内存屏障的后面；即在执行到内存屏障这句指令时，在它前面的操作已经全部完成；

（2）它会强制将对缓存的修改操作立即写入主内存；

（3）如果是写操作，它会导致其他CPU中对应的缓存行无效。

**7.2 实现原理**

**7.2.1 可见性**

处理器为了提高处理速度，不直接和内存进行通讯，而是将系统内存的数据独到内部缓存后再进行操作，但操作完后不知什么时候会写到内存。

如果对声明了volatile变量进行写操作时，JVM会向处理器发送一条Lock前缀的指令，将这个变量所在缓存行的数据写会到系统内存。这一步确保了如果有其他线程对声明了volatile变量进行修改，则立即更新主内存中数据。

但这时候其他处理器的缓存还是旧的，所以在多处理器环境下，为了保证各个处理器缓存一致，每个处理会通过嗅探在总线上传播的数据来检查 自己的缓存是否过期，当处理器发现自己缓存行对应的内存地址被修改了，就会将当前处理器的缓存行设置成无效状态，当处理器要对这个数据进行修改操作时，会强制重新从系统内存把数据读到处理器缓存里。 这一步确保了其他线程获得的声明了volatile变量都是从主内存中获取最新的。

**7.2.2 有序性**

Lock前缀指令实际上相当于一个内存屏障（也成内存栅栏），它确保指令重排序时不会把其后面的指令排到内存屏障之前的位置，也不会把前面的指令排到内存屏障的后面；即在执行到内存屏障这句指令时，在它前面的操作已经全部完成。

**8、使用volatile关键字的场景**

synchronized关键字是防止多个线程同时执行一段代码，那么就会很影响程序执行效率，而volatile关键字在某些情况下性能要优于synchronized，但是要注意volatile关键字是无法替代synchronized关键字的，因为volatile关键字无法保证操作的原子性。通常来说，使用volatile必须具备以下2个条件：

（1）对变量的写操作不依赖于当前值  
（2）该变量没有包含在具有其他变量的不变式中

实际上，这些条件表明，可以被写入volatile变量的这些有效值独立于任何程序的状态，包括变量的当前状态。即实际就是上面的2个条件需要保证操作是原子性操作，才能保证使用volatile关键字的程序在并发时能够正确执行。下面列举Java中使用volatile的几个场景。

**8.1 状态标记量**

volatile boolean inited = false;
    //线程1:
    context = loadContext();  
    inited = true;            
    
    //线程2:
    while(!inited ){
        sleep();
    }
    doSomethingwithconfig(context);

**8.2 double check（单例模式）**

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;
        }
    }

这里为什么要使用volatile修饰instance？主要在于`instance = new Singleton()`这句，这并非是一个原子操作，事实上在JVM中这句话大概做了下面3件事情:

（1）给instance分配内存

（2）调用Singleton的构造函数来初始化成员变量

（3）将instance对象指向分配的内存空间（执行完这步instance就为非null了）。

但是在JVM的即时编译器中存在指令重排序的优化。也就是说上面的第二步和第三步的顺序是不能保证的，最终的执行顺序可能是 1-2-3 也可能是 1-3-2。如果是后者，则在3执行完毕、2未执行之前，被线程二抢占了，这时instance已经是非null了（但却没有初始化），所以线程二会直接返回instance，然后使用，然后顺理成章地报错。

**9、Volatile的使用优化**

在使用Volatile变量时，用一种追加字节的方式来优化队列出队和入队的性能。追加字节能优化性能？这种方式看起来很神奇，但如果深入理解处理器架构就能理解其中的奥秘。让我们先来看看LinkedTransferQueue这个类，它使用一个内部类类型来定义队列的头队列（Head）和尾节点（tail），而这个内部类PaddedAtomicReference相对于父类AtomicReference只做了一件事情，就将共享变量追加到64字节。我们可以来计算下，一个对象的引用占4个字节，它追加了15个变量共占60个字节，再加上父类的Value变量，一共64个字节。

/** head of the queue */
    private transient final PaddedAtomicReference<QNode> head;
    
    /** tail of the queue */
    private transient final PaddedAtomicReference<QNode> tail;
    
    static final class PaddedAtomicReference <T> extends AtomicReference <T> { 
    
        // enough padding for 64bytes with 4byte refs
        Object p0, p1, p2, p3, p4, p5, p6, p7, p8, p9, pa, pb, pc, pd, pe;
    
        PaddedAtomicReference(T r) {
            super(r);
        }
    }
    
    public class AtomicReference <V> implements java.io.Serializable { 
    
        private volatile V value;
      //省略其他代码
    }

为什么追加64字节能够提高并发编程的效率呢？ 因为对于英特尔酷睿i7，酷睿， Atom和NetBurst， Core Solo和Pentium M处理器的L1，L2或L3缓存的高速缓存行是64个字节宽，不支持部分填充缓存行，这意味着如果队列的头节点和尾节点都不足64字节的话，处理器会将它们都读到同一个高速缓存行中，在多处理器下每个处理器都会缓存同样的头尾节点，当一个处理器试图修改头接点时会将整个缓存行锁定，那么在缓存一致性机制的作用下，会导致其他处理器不能访问自己高速缓存中的尾节点，而队列的入队和出队操作是需要不停修改头接点和尾节点，所以在多处理器的情况下将会严重影响到队列的入队和出队效率。Doug lea使用追加到64字节的方式来填满高速缓冲区的缓存行，避免头接点和尾节点加载到同一个缓存行，使得头尾节点在修改时不会互相锁定。

那么是不是在使用Volatile变量时都应该追加到64字节呢？不是的。在两种场景下不应该使用这种方式。

（1）缓存行非64字节宽的处理器，如P6系列和奔腾处理器，它们的L1和L2高速缓存行是32个字节宽。  
（2）共享变量不会被频繁的写。因为使用追加字节的方式需要处理器读取更多的字节到高速缓冲区，这本身就会带来一定的性能消耗，共享变量如果不被频繁写的话，锁的几率也非常小，就没必要通过追加字节的方式来避免相互锁定。

[Link 1]: http://blog.csdn.net/eff666/article/details/66473088
[Java]: http://blog.csdn.net/eff666/article/details/66479636