Java volatile关键字内存原语

雨点打透心脏的1/2处 2021-06-10 20:38 382阅读 0赞

一、简述

volatile特性：实现最轻量级的同步。

volatile关键字的内存原语主要包含2个：

1、保证volatile修饰的变量对所有线程的可见性。

2、禁止指令重排序优化。

二、案例代码

先给一个经典的错误案例：

package com.hy.current;
    public class VolatileTest {
         private static volatile int race = 0;
         public static void increase() {
               race++;
         }
         public static void main(String[] args) {
               Thread[] threads = new Thread[20];
               for (int i = 0; i < threads.length; i++) {
                    threads[i] = new Thread(new Runnable() {
                         @Override
                         public void run() {
                               for (int j = 0; j < 10000; j++) {
                                    increase();
                               }
                         }
                    });
                    threads[i].start();
               }
               while(Thread.activeCount() > 1) {
                    Thread.yield();
               }
               System.out.println(race);
         }
     
    }

正确的结果应该是200000，但程序运行的值均比200000小，为何？

javap -v com.hy.current.VolatileTest 得到字节码：

public static void increase();
        flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
        Code:
          stack=2, locals=0, args_size=0
             0: getstatic     #10                 // Field race:I
             3: iconst_1
             4: iadd
             5: putstatic     #10                 // Field race:I
             8: return
          LineNumberTable:
            line 8: 0
            line 9: 8
          LocalVariableTable:
            Start  Length  Slot  Name   Signature

race++不是原子性操作，虽然volatile修改的变量能够保证线程拿到的值在当前时刻是最新的（getstatic），但其他线程可能执行到了iadd等操作，导致拿到的值已经过期，这样就会出现最终结果比预期的200000要小的原因。

这个是单独使用volatile同步失败的典型案例，此案例的正确做法是在increase()方法增加同步锁（synchronized或Lock都行）。

再来看一个正确的案例：

package com.hy.current;
    public class VolatileTest2 {
         private static volatile boolean isShutdown = false;
         public void shutdown() {
               isShutdown = true;
         }
         public void execute() {
               while(!isShutdown) {
                    // TODO
                    // 执行业务代码
               }
         }
    }

字节码如下：

public void shutdown();
        flags: ACC_PUBLIC
        Code:
          stack=1, locals=1, args_size=1
             0: iconst_1
             1: putstatic     #10                 // Field isShutdown:Z
             4: return
          LineNumberTable:
            line 8: 0
            line 9: 4
          LocalVariableTable:
            Start  Length  Slot  Name   Signature
                   0       5     0  this   Lcom/hy/current/VolatileTest2;

针对volatile变量只有一个赋值操作，并且是原子的，这样就能达到预期的同步结果。

我们简单总结一下用volatile做同步的场景：

1、对volatile变量的操作，必须是原子性的。或者可以保证volatile变量只能由一个线程来修改，其他线程只是使用此volatile变量。

2、单独由这一个volatile变量控制同步，不能与其他变量一起参与。

三、Java内存模型

要理解volatile关键字的作用，就先要了解Java内存模型，Java内存模型（Java Memory Model, JMM）指的是由Java虚拟机规范定义的，减少不同的操作系统平台内存访问的差异，实现跨平台一致性的内存访问效果，主要的目标就是定义程序中各个变量的访问规则，这里的变量指的是实例字段，静态字段和构成数组对象的元素，但不包括局部变量与方法参数，后者是线程私有的。

JMM的内存有主内存和工作内存之分，可以狭义地认为，主内存主要对应Java堆中的对象实例，工作内存则对应虚拟机栈中的部分区域。主内存存储所有的变量，工作内存保存该线程使用到的变量 的主内存副本拷贝，线程对变量的所有操作（读取，赋值等）都必须在工作内存中进行，而不能直接使用主内存的变量，不同的线程之间也无法直接访问对方工作内存中的变量，线程、工作内存、主内存三者关系图如下所示：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2h1YW5neWluZzIxMjQ_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

四、内存间交互操作

此节主要描述主内存与工作内存之间具体的交互协议，即一个变量如何从主内存拷贝到工作内存、如何从工作内存同步回主内存的实现细节，是本篇的重点。

共有8种操作，每一种担任 都是原子的，如下图所示：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2h1YW5neWluZzIxMjQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

1、Lock：只在主内存中操作，将一个变量标识为被一条线程独占的状态。

2、unLock：与Lock对应，释放变量的锁定状态。

3、read：从主内存中读取一个变量传输到线程的工作内存中。

4、load：紧接着read操作之后，在工作内存开辟一个变量副本，装载read回来的变量。

5、use：把工作内存中的变量传递给执行引擎。

6、assign：与use对应，执行引擎向工作内存传输变量值（一般是变量的赋值操作）。

7、store：对应read操作，从工作内存读取一个变量传输到主内存。

8、write：对应load操作，紧接着store之后，在主内存中开辟一段空间，保存store回来的变量。

看手绘图可知，看似8个操作挺复杂，整理一下可以知道，是相对应的4对操作。

JMM规定这8个操作必须满足的条件：

1、read/load或是store/write这两组操作，必须成对出现，保证值一定可以正常读取、写入。

2、assign操作后面必须会有store/write这组操作，不允许出现工作内存有变量更新，不刷新回主内存的现象存在。

3、没有assign就不会平白无故地出现store/write这组操作。

4、一个新的变量只能在主内存中诞生，不允许在工作内存中直接使用一个未被初始化的变量，即有use/store操作出现，前面肯定会有assign/load操作。

5、一个变量在同一个时刻只能被一个线程Lock，Lock操作可以执行多次，想到解锁，就必须unLock相同的次数。

6、线程对一个变量进行Lock操作，将会清掉线程此变量在工作内存中的值，想用这个变量，就要重新load->assign操作。

7、没Lock的变量是不能执行unLock的。

8、unLock执行前，必须先执行store->write将此变量刷新到主内存中。

五、禁止指令重排序

变量加了volatile修饰后，汇编代码里会多出一个"lock addl $0x0,(%esp)"操作，这种操作相当于一个内存屏障（Memory Barrier或Memory Fence，指重排序时不能把后面的指令重排序到内存屏障之前的位置），这样就可以保证volatile修饰的变量，是先赋值，再使用。

如果没有volatile修饰，指令重排序操作（属于硬件架构CPU优化的范畴，简单来说就是CPU在保证正确处理指令依赖、执行结果正确的前提下，会对一些指令进行顺序的优化，这样指令和实际的代码顺序就会有一些差别）会影响线程之间共享变量的使用。

举个例子：

package com.hy.current;
    import java.io.IOException;
    import java.util.Properties; 
    /**
     * @author Administrator
     *
     */
    public class VolatileTest3 { 
         private static boolean isInitial = false;
         /**
          * 加载配置信息，加载完成后isInitial设置为true
          * 由线程A调用
          */
         public void init() throws IOException {
               Properties prop = new Properties();
              prop.load(VolatileTest3.class.getClassLoader().getResourceAsStream("test.properties"));
               isInitial = true;
         }
     
         /**
          * 如果配置信息加载完成后，执行相关业务代码
          * 由线程B调用
          */
     
         public void execute() {
               if (isInitial) {
                    // TODO 执行业务代码
               }
         }
    }

乍一看，好像没问题，运行起来也能得到预期结果，但是请思考一下这行代码的位置：

isInitial = true;

一定能保证配置信息加载完后才执行吗？

我们看看这个方法，isInitial在方法里跟其他变量没有任何的依赖，CPU完全有优化的可能将isInitial的赋值操作放在最前面，此致"isInitial = true;"被提前执行，这样就会导致配置信息没加载完，线程B就已经开始干活了。

isInitial变量增加volatile修饰后，就可以避免这种排序情况发生，从而保证了线程B的起始条件的正确的。

六、volatile变量定义在Java内存模型中的特殊规则

前面我们讲到JMM中内存的交互操作，如果变量用volatile修饰，JMM中有三条特殊的规则：

1、普通变量只要求load、read动作相关联，volatile变量要求use、load、read三个动作相关联，意思就是想要用的变量，每次都是从主内存取的。

2、普通变量只要求store、write动作相关联，volatile变量要求assign、store、write三个动作相关联，意思就是有变化的变量，立即刷新到主内存中。

3、use/assign、load/store、read/ write这三组我们先认为是三段操作，假定一个线程T、两个变量V、W，如果线程T对变量V的use/assign先于对变量W的use/assign操作，那么线程T对变量V的load/store也先于对变量W的load/store操作，意思就是线程对volatile变量的读操作（use、load、read）或写操作（assign、store、write）都会整套执行完，再去执行另一个volatile的整套读写操作，这条规则体现出来的特性就是禁止指令重新排序优化，保证代码的执行顺序与程序的顺序相同。

七、总结

1、volatile是最轻量的同步方案最佳实践，但要注意使用的场景。

2、JMM内存交互操作，以及volatile后的特殊规则是如何达到变量对所有线程可见性的实现原理。

来源《深入理解Java虚拟机》

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