volatile的實現(xiàn)原理分析

volatile的作用是什么？

volatile是一個輕量級的synchronized，一般作用于 變量 ，在多處理器開發(fā)的過程中保證了內(nèi)存的可見性。相比于synchronized關(guān)鍵字，volatile關(guān)鍵字的執(zhí)行成本更低，效率更高。

volatile的特性有哪些？

并發(fā)編程的三大特性為可見性、有序性和原子性。通常來講volatile可以保證可見性和有序性。

• 可見性：volatile可以保證不同線程對共享變量進行操作時的可見性。即當(dāng)一個線程修改了共享變量時，另一個線程可以讀取到共享變量被修改后的值。
• 有序性：volatile會通過禁止指令重排序進而保證有序性。
• 原子性：對于單個的volatile修飾的變量的讀寫是可以保證原子性的，但對于i++這種復(fù)合操作并不能保證原子性。這句話的意思基本上就是說volatile不具備原子性了。

Java內(nèi)存的可見性問題

Java的內(nèi)存模型如下圖所示。

這里的本地內(nèi)存并不是真實存在的，只是Java內(nèi)存模型的一個抽象概念，它包含了控制器、運算器、緩存等。同時Java內(nèi)存模型規(guī)定，線程對共享變量的操作必須在自己的本地內(nèi)存中進行，不能直接在主內(nèi)存中操作共享變量。這種內(nèi)存模型會出現(xiàn)什么問題呢？，

1. 線程A獲取到共享變量X的值，此時本地內(nèi)存A中沒有X的值，所以加載主內(nèi)存中的X值并緩存到本地內(nèi)存A中，線程A修改X的值為1，并將X的值刷新到主內(nèi)存中，這時主內(nèi)存及本地內(nèi)存A中的X的值都為1。
2. 線程B需要獲取共享變量X的值，此時本地內(nèi)存B中沒有X的值，加載主內(nèi)存中的X值并緩存到本地內(nèi)存B中，此時X的值為1。線程B修改X的值為2，并刷新到主內(nèi)存中，此時主內(nèi)存及本地內(nèi)存B中的X值為2，本地內(nèi)存A中的X值為1。
3. 線程A再次獲取共享變量X的值，此時本地內(nèi)存中存在X的值，所以直接從本地內(nèi)存中A獲取到了X為1的值，但此時主內(nèi)存中X的值為2，到此出現(xiàn)了所謂內(nèi)存不可見的問題。

該問題Java內(nèi)存模型是通過synchronized關(guān)鍵字和volatile關(guān)鍵字就可以解決。

為什么代碼會重排序？

計算機在執(zhí)行程序的過程中，編譯器和處理器通常會對指令進行重排序，這樣做的目的是為了提高性能。具體可以看下面這個例子。

int a = 1;
int b = 2;
int a1 = a;
int b1 = b;
int a2 = a + a;
int b2 = b + b;
......

像這段代碼，不斷地交替讀取a和b，會導(dǎo)致寄存器頻繁交替存儲a和b，使得代碼性能下降，可對其進入如下重排序。

int a = 1;
int b = 2;
int a1 = a;
int a2 = a + a;
int b1 = b;
int b2 = b + b;
......

按照這樣的順序執(zhí)行代碼便可以避免交替讀取a和b，這就是重排序的意義。

指令重排序一般分為編譯器優(yōu)化重排、指令并行重排和內(nèi)存系統(tǒng)重排三種。

• 編譯器優(yōu)化重排：編譯器在不改變單線程程序語義的情況下，可以對語句的執(zhí)行順序進行重新排序。
• 指令并行重排：現(xiàn)代處理器多采用指令級并行技術(shù)來將多條指令重疊執(zhí)行。對于不存在數(shù)據(jù)依賴的程序，處理器可以對機器指令的執(zhí)行順序進行重新排列。
• 內(nèi)存系統(tǒng)重排：因為處理器使用緩存和讀/寫緩沖區(qū)，使得加載（load）和存儲（store）看上去像是在亂序執(zhí)行。

注：簡單解釋下數(shù)據(jù)依賴性：如果兩個操作訪問了同一個變量，并且這兩個操作有一個是寫操作，這兩個操作之間就會存在數(shù)據(jù)依賴性，例如：

a = 1;
b = a;

如果對這兩個操作的執(zhí)行順序進行重排序的話，那么結(jié)果就會出現(xiàn)問題。

其實，這三種指令重排說明了一個問題，就是指令重排在單線程下可以提高代碼的性能，但在多線程下可以會出現(xiàn)一些問題。

重排序會引發(fā)什么問題？

前面已經(jīng)說過了，在單線程程序中，重排序并不會影響程序的運行結(jié)果，而在多線程場景下就不一定了?？梢钥聪旅孢@個經(jīng)典的例子，該示例出自《Java并發(fā)編程的藝術(shù)》。

class ReorderExample{
    int a = 0;
    boolean flag = false;
    public void writer(){
        a = 1;              // 操作1
        flag = true;        // 操作2
    }
    public void reader(){
        if(flag){          // 操作3
            int i = a + a; // 操作4
        }
    }
}

假設(shè)線程1先執(zhí)行writer()方法，隨后線程2執(zhí)行reader()方法，最后程序一定會得到正確的結(jié)果嗎？

答案是不一定的，如果代碼按照下圖的執(zhí)行順序執(zhí)行代碼則會出現(xiàn)問題。

操作1和操作2進行了重排序，線程1先執(zhí)行flag=true，然后線程2執(zhí)行操作3和操作4，線程2執(zhí)行操作4時不能正確讀取到a的值，導(dǎo)致最終程序運行結(jié)果出問題。這也說明了在多線程代碼中，重排序會破壞多線程程序的語義。

as-if-serial規(guī)則和happens-before規(guī)則的區(qū)別？

區(qū)別：

• as-if-serial定義：無論編譯器和處理器如何進行重排序，單線程程序的執(zhí)行結(jié)果不會改變。
• happens-before定義：一個操作happens-before另一個操作，表示第一個的操作結(jié)果對第二個操作可見，并且第一個操作的執(zhí)行順序也在第二個操作之前。但這并不意味著Java虛擬機必須按照這個順序來執(zhí)行程序。如果重排序的后的執(zhí)行結(jié)果與按happens-before關(guān)系執(zhí)行的結(jié)果一致，Java虛擬機也會允許重排序的發(fā)生。
• happens-before關(guān)系保證了同步的多線程程序的執(zhí)行結(jié)果不被改變，as-if-serial保證了單線程內(nèi)程序的執(zhí)行結(jié)果不被改變。

相同點：happens-before和as-if-serial的作用都是在不改變程序執(zhí)行結(jié)果的前提下，提高程序執(zhí)行的并行度。

voliatile的實現(xiàn)原理？

前面已經(jīng)講述volatile具備可見性和有序性兩大特性，所以volatile的實現(xiàn)原理也是圍繞如何實現(xiàn)可見性和有序性展開的。

volatile實現(xiàn)內(nèi)存可見性原理

導(dǎo)致內(nèi)存不可見的主要原因就是Java內(nèi)存模型中的本地內(nèi)存和主內(nèi)存之間的值不一致所導(dǎo)致，例如上面所說線程A訪問自己本地內(nèi)存A的X值時，但此時主內(nèi)存的X值已經(jīng)被線程B所修改，所以線程A所訪問到的值是一個臟數(shù)據(jù)。那如何解決這種問題呢？

volatile可以保證內(nèi)存可見性的關(guān)鍵是volatile的讀/寫實現(xiàn)了緩存一致性，緩存一致性的主要內(nèi)容為：

• 每個處理器會通過嗅探總線上的數(shù)據(jù)來查看自己的數(shù)據(jù)是否過期，一旦處理器發(fā)現(xiàn)自己緩存對應(yīng)的內(nèi)存地址被修改，就會將當(dāng)前處理器的緩存設(shè)為無效狀態(tài)。此時，如果處理器需要獲取這個數(shù)據(jù)需重新從主內(nèi)存將其讀取到本地內(nèi)存。
• 當(dāng)處理器寫數(shù)據(jù)時，如果發(fā)現(xiàn)操作的是共享變量，會通知其他處理器將該變量的緩存設(shè)為無效狀態(tài)。

那緩存一致性是如何實現(xiàn)的呢？可以發(fā)現(xiàn)通過volatile修飾的變量，生成匯編指令時會比普通的變量多出一個Lock指令，這個Lock指令就是volatile關(guān)鍵字可以保證內(nèi)存可見性的關(guān)鍵，它主要有兩個作用：

• 將當(dāng)前處理器緩存的數(shù)據(jù)刷新到主內(nèi)存。
• 刷新到主內(nèi)存時會使得其他處理器緩存的該內(nèi)存地址的數(shù)據(jù)無效。

volatile實現(xiàn)有序性原理

前面提到重排序可以提高代碼的執(zhí)行效率，但在多線程程序中可以導(dǎo)致程序的運行結(jié)果不正確，那volatile是如何解決這一問題的呢？

為了實現(xiàn)volatile的內(nèi)存語義，編譯器在生成字節(jié)碼時會通過插入內(nèi)存屏障來禁止指令重排序。

內(nèi)存屏障：內(nèi)存屏障是一種CPU指令，它的作用是對該指令前和指令后的一些操作產(chǎn)生一定的約束，保證一些操作按順序執(zhí)行。

Java虛擬機插入內(nèi)存屏障的策略

Java內(nèi)存模型把內(nèi)存屏障分為4類，如下表所示：

注：StoreLoad Barriers同時具備其他三個屏障的作用，它會使得該屏障之前的所有內(nèi)存訪問指令完成之后，才會執(zhí)行該屏障之后的內(nèi)存訪問命令。

Java內(nèi)存模型對編譯器指定的volatile重排序規(guī)則為：

• 當(dāng)?shù)谝粋€操作是volatile讀時，無論第二個操作是什么都不能進行重排序。
• 當(dāng)?shù)诙€操作是volatile寫時，無論第一個操作是什么都不能進行重排序。
• 當(dāng)?shù)谝粋€操作是volatile寫，第二個操作為volatile讀時，不能進行重排序。

根據(jù)volatile重排序規(guī)則，Java內(nèi)存模型采取的是保守的屏障插入策略，volatile寫是在前面和后面分別插入內(nèi)存屏障，volatile讀是在后面插入兩個內(nèi)存屏障，具體如下：

• volatile讀：在每個volatile讀后面分別插入LoadLoad屏障及LoadStore屏障（根據(jù)volatile重排序規(guī)則第一條），如下圖所示

LoadLoad屏障的作用：禁止上面的所有普通讀操作和上面的volatile讀操作進行重排序。

LoadStore屏障的作用：禁止下面的普通寫和上面的volatile讀進行重排序。

• volatile寫：在每個volatile寫前面插入一個StoreStore屏障（為滿足volatile重排序規(guī)則第二條），在每個volatile寫后面插入一個StoreLoad屏障（為滿足voaltile重排序規(guī)則第三條），如下圖所示
  
  StoreStore屏障的作用：禁止上面的普通寫和下面的volatile寫重排序
  StoreLoad屏障的作用：防止上面的volatile寫與下面可能出現(xiàn)的volatile讀/寫重排序。

編譯器對內(nèi)存屏障插入策略的優(yōu)化

因為Java內(nèi)存模型所采用的屏障插入策略比較保守，所以在實際的執(zhí)行過程中，只要不改變volatile讀/寫的內(nèi)存語義，編譯器通常會省略一些不必要的內(nèi)存屏障。

代碼如下：

public class VolatileBarrierDemo{
    int a;
    volatile int b = 1;
    volatile int c = 2;
    
    public void test(){
        int i = b;  //volatile讀
        int j = c;  //volatile讀
        a = i + j;  //普通寫
        
    }
}

指令序列示意圖如下：

從上圖可以看出，通過指令優(yōu)化一共省略了兩個內(nèi)存屏障（虛線表示），省略第一個內(nèi)存屏障LoadStore的原因是最后的普通寫不可能越過第二個volatile讀，省略第二個內(nèi)存屏障LoadLoad的原因是下面沒有涉及到普通讀的操作。

volatile能使一個非原子操作變成一個原子操作嗎？

volatile只能保證可見性和有序性，但可以保證64位的long型和double型變量的原子性。

對于32位的虛擬機來說，每次原子讀寫都是32位的，會將long和double型變量拆分成兩個32位的操作來執(zhí)行，這樣long和double型變量的讀寫就不能保證原子性了，而通過volatile修飾的long和double型變量則可以保證其原子性。

volatile、synchronized的區(qū)別？

• volatile主要是保證內(nèi)存的可見性，即變量在寄存器中的內(nèi)存是不確定的，需要從主存中讀取。synchronized主要是解決多個線程訪問資源的同步性。
• volatile作用于變量，synchronized作用于代碼塊或者方法。
• volatile僅可以保證數(shù)據(jù)的可見性，不能保證數(shù)據(jù)的原子性。synchronized可以保證數(shù)據(jù)的可見性和原子性。
• volatile不會造成線程的阻塞，synchronized會造成線程的阻塞。