volatile原理

朴灿烈づ我的快乐病毒、 2022-05-12 02:28 195阅读 0赞

文章引用：[http://cmsblogs.com/?p=2092][http_cmsblogs.com_p_2092]

本文只是抄下来，方便自己学习和理解。

synchronized是一个重量级的锁，虽然JVM对它做了很多优化，而下面介绍的volatile则是轻量级的synchronized。如果一个变量使用volatile，则它比使用synchronized的成本更加低，因为它不会引起线程上下文的切换和调度。Java语言规范对volatile的定义如下：

> 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地更新，线程应该确保通过排他锁单独获得这个变量

一个变量如果用volatile修饰了，则Java可以确保所有线程看到这个变量的值是一致的，如果某个线程对volatile修饰的共享变量进行更新，那么其他线程可以立马看到这个更新，这就是所谓的线程可见性。

# 内存模型相关概念 #

计算机在运行程序时，每条指令都是在CPU中执行的，在执行过程中势必会涉及到数据的读写。我们知道程序运行的数据是存储在主存中，这时就会有一个问题，读写主存中的数据没有CPU中执行指令的速度快，如果任何的交互都需要与主存打交道则会大大影响效率，所以就有了CPU高速缓存。CPU高速缓存为某个CPU独有，只与在该CPU运行的线程有关。

有了CPU高速缓存虽然解决了效率问题，但是它会带来一个新的问题：数据一致性。在程序运行中，会将运行所需要的数据复制一份到CPU高速缓存中，在进行运算时CPU不再也主存打交道，而是直接从高速缓存中读写数据，只有当运行结束后才会将数据刷新到主存中。举一个简单的例子：

i++i++

当线程运行这段代码时，首先会从主存中读取i( i = 1)，然后复制一份到CPU高速缓存中，然后CPU执行 + 1 （2）的操作，然后将数据（2）写入到告诉缓存中，最后刷新到主存中。其实这样做在单线程中是没有问题的，有问题的是在多线程中。如下：

假如有两个线程A、B都执行这个操作（i++），按照我们正常的逻辑思维主存中的i值应该=3，但事实是这样么？分析如下：

两个线程从主存中读取i的值（1）到各自的高速缓存中，然后线程A执行+1操作并将结果写入高速缓存中，最后写入主存中，此时主存i==2,线程B做同样的操作，主存中的i仍然=2。所以最终结果为2并不是3。这种现象就是缓存一致性问题。

解决缓存一致性方案有两种：

1.  通过在总线加LOCK\#锁的方式
2.  通过缓存一致性协议

但是方案1存在一个问题，它是采用一种独占的方式来实现的，即总线加LOCK\#锁的话，只能有一个CPU能够运行，其他CPU都得阻塞，效率较为低下。

第二种方案，缓存一致性协议（MESI协议）它确保每个缓存中使用的共享变量的副本是一致的。其核心思想如下：当某个CPU在写数据时，如果发现操作的变量是共享变量，则会通知其他CPU告知该变量的缓存行是无效的，因此其他CPU在读取该变量时，发现其无效会重新从主存中加载数据。

[![212219343783699][]][212219343783699 1]

## 在并发编程中我们一般都会遇到这三个基本概念：原子性、可见性、有序性。 ##

### 原子性 ###

> 原子性：即一个操作或者多个操作 要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断，要么就都不执行。

原子性就像数据库里面的事务一样，他们是一个团队，同生共死。其实理解原子性非常简单，我们看下面一个简单的例子即可：

i = 0;          ---1
    j = i ;         ---2
    i++;            ---3
    i = j + 1;      ---4

上面四个操作，有哪个几个是原子操作，那几个不是？如果不是很理解，可能会认为都是原子性操作，其实只有1才是原子操作，其余均不是。

1—在Java中，对基本数据类型的变量和赋值操作都是原子性操作；   
2—包含了两个操作：读取i，将i值赋值给j   
3—包含了三个操作：读取i值、i + 1 、将+1结果赋值给i；   
4—同三一样

在单线程环境下我们可以认为整个步骤都是原子性操作，但是在多线程环境下则不同，Java只保证了基本数据类型的变量和赋值操作才是原子性的（**注：在32位的JDK环境下，对64位数据的读取不是原子性操作\*，如long、double**）。要想在多线程环境下保证原子性，则可以通过锁、synchronized来确保。

> volatile是无法保证复合操作的原子性

### 可见性 ###

> 可见性是指当多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了这个变量的值，其他线程能够立即看得到修改的值。

在上面已经分析了，在多线程环境下，一个线程对共享变量的操作对其他线程是不可见的。

**Java提供了volatile来保证可见性。**

**当一个变量被volatile修饰后，表示着线程本地内存无效，当一个线程修改共享变量后他会立即被更新到主内存中，当其他线程读取共享变量时，它会直接从主内存中读取。 **  
当然，synchronize和锁都可以保证可见性。

### 有序性 ###

> 有序性：即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。

在Java内存模型中，为了效率是允许编译器和处理器对指令进行重排序，当然重排序它不会影响单线程的运行结果，但是对多线程会有影响。

Java提供volatile来保证一定的有序性。最著名的例子就是单例模式里面的DCL（双重检查锁）。这里LZ就不再阐述了。

# 剖析volatile原理 #

JMM比较庞大，不是上面一点点就能够阐述的。上面简单地介绍都是为了volatile做铺垫的。

> 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。

上面那段话，有两层语义

1.  保证可见性、不保证原子性
2.  禁止指令重排序

第一层语义就不做介绍了，下面重点介绍指令重排序。

在执行程序时为了提高性能，编译器和处理器通常会对指令做重排序：

1.  编译器重排序。编译器在不改变单线程程序语义的前提下，可以重新安排语句的执行顺序；
2.  处理器重排序。如果不存在数据依赖性，处理器可以改变语句对应机器指令的执行顺序；

指令重排序对单线程没有什么影响，他不会影响程序的运行结果，但是会影响多线程的正确性。既然指令重排序会影响到多线程执行的正确性，那么我们就需要禁止重排序。那么JVM是如何禁止重排序的呢？这个问题稍后回答，**我们先看另一个原则happens-before，happens-before原则保证了程序的“有序性”**，它规定如果两个操作的执行顺序无法从happens-before原则中推到出来，那么他们就不能保证有序性，可以随意进行重排序。其定义如下：

1.  同一个线程中的，前面的操作 happen-before 后续的操作。（即单线程内按代码顺序执行。但是，在不影响在单线程环境执行结果的前提下，编译器和处理器可以进行重排序，这是合法的。换句话说，这一是规则无法保证编译重排和指令重排）。
2.  监视器上的解锁操作 happen-before 其后续的加锁操作。（Synchronized 规则）
3.  对volatile变量的写操作 happen-before 后续的读操作。（volatile 规则）
4.  线程的start() 方法 happen-before 该线程所有的后续操作。（线程启动规则）
5.  线程所有的操作 happen-before 其他线程在该线程上调用 join 返回成功后的操作。
6.  如果 a happen-before b，b happen-before c，则a happen-before c（传递性）。

我们着重看第三点volatile规则：对volatile变量的写操作 happen-before 后续的读操作。为了实现volatile内存语义，JMM会重排序，其规则如下：

对happen-before原则有了稍微的了解，我们再来回答这个问题JVM是如何禁止重排序的？

[![20170104-volatile][]][20170104-volatile 1]

**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前缀指令其实就相当于一个内存屏障。内存屏障是一组处理指令，用来实现对内存操作的顺序限制。volatile的底层就是通过内存屏障来实现的。下图是完成上述规则所需要的内存屏障：

volatile暂且下分析到这里，JMM体系较为庞大，不是三言两语能够说清楚的，后面会结合JMM再一次对volatile深入分析。

[![20170104-volatile2][]][20170104-volatile2 1]

# 总结 #

volatile看起来简单，但是要想理解它还是比较难的，这里只是对其进行基本的了解。volatile相对于synchronized稍微轻量些，在某些场合它可以替代synchronized，但是又不能完全取代synchronized，只有在某些场合才能够使用volatile。使用它必须满足如下两个条件：

1.  对变量的写操作不依赖当前值；
2.  该变量没有包含在具有其他变量的不变式中。

> volatile经常用于两个两个场景：状态标记两、double check

[http_cmsblogs.com_p_2092]: http://cmsblogs.com/?p=2092
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