Java內存模型-volatile的內存語義

一 引言

　　據說在Java 5以前volatile關鍵字備受爭議，因此本文也不討論1.5版本以前的volatile。本文主要針對1.5後即JSR-133針對volatile作了強化後的瞭解。

二 volatile的特性

　　開門見山，volatile變量自身具備如下特性：

• 可見性（最重要的特性）。對一個volatile變量的讀，老是能看到（任意線程）對這個volatile變量最後的寫入。
• 原子性。對任意(包括64位long類型和double類型)單個volatile變量的讀/寫具備原子性。可是類型於a++這種複合操做不具備原子性。

　　下面經過案例來證實下可見性，先看一個普通變量是否能保證可見性：

 3 class Example {
 4     private boolean stop = false; 5 public void execute() { 6 int i = 0; 7 System.out.println("thread1 start loop."); 8 while(!getStop()) { 9 i++; 10  } 11 System.out.println("thread1 finish loop,i=" + i); 12  } 13 public boolean getStop() { 14 return stop; // 對普通變量的讀 15  } 16 public void setStop(boolean flag) { 17 this.stop = flag; // 對普通變量的寫 18  } 19 } 20 public class VolatileExample { 21 public static void main(String[] args) throws Exception { 22 final Example example = new Example(); 23 Thread t1 = new Thread(new Runnable() { 24  @Override 25 public void run() { 26  example.execute(); 27  } 28  }); 29  t1.start(); 30 31 Thread.sleep(1000); 32 System.out.println("主線程即將置stop值爲true..."); 33 example.setStop(true); 34 System.out.println("主線程已將stop值爲：" + example.getStop()); 35 System.out.println("主線程等待線程1執行完..."); 36 37  t1.join(); 38 System.out.println("線程1已執行完畢，整個流程結束..."); 39  } 40 }

　　上面程序的意思是：讓線程1先執行而後主（main）線程修改標誌看是否能讓子線程跳出循環。執行程序後發現程序並無執行完，而是在等待線程1執行完畢。這就說明主線程修改stop變量並不對線程1可見，因此普通變量是不保證可見性的。

　　當你把變量stop用volatile修飾時，主線程修改stop變量會立馬對線程1可見並終止程序，這就證實volatile變量是具備可見性特性的。下面修改後的結果。

　　原子性特性已經說的很清楚了（對任意(包括64位long類型和double類型)單個volatile變量的讀/寫具備原子性），記着是對單個volatile變量的讀或寫才具備原子性（若是要進行測試的話，將上面案例的volatile變量修改爲long/double類型,測試邏輯同樣，只不過將它放在x86的機器上運行。由於在x86的機器上不能保證long類型和double類型的原子性的，具體緣由在Java內存模型中的順序一致性一節有說明）。另外任何複合操做都不能保證原子性，如a++，a = a+1, a = b。特別注意a = b這類，它實際上包含2個操做，它先要去讀取b的值，再將b的值寫入工做內存，雖然讀取b的值以及將b的值寫入工做內存這2個操做都是原子性操做，可是合起來就不是原子性操做了。

　　想要理解透volatile特性有一個很好的方法，就是把對volatile變量的單個讀/寫，當作是使用同一個鎖對這些單個讀/寫操做作了同步。

三 volatile寫-讀創建的happens-before關係

　　這個詳細在happens-before規則中說明。

四 volatile寫-讀的內存語義

• 當寫一個 volatile 變量時，JMM 會把該線程對應的本地內存中的共享變量值刷新到主內存。

• 當讀一個 volatile 變量時，JMM 會把該線程對應的本地內存置爲無效。線程接下來將從主內存中讀取共享變量。

　　以上面VolatileExample程序爲例進行簡單說明，當主線程對stop進行修改後且子線程還沒有對stop進行讀時，主線程已經把stop的值刷新到了主內存。其示意圖以下：

　　當子線程進行讀取時，會把本地內存置爲無效直接去主內存中讀取。（這裏的主線程和子線程能夠了解爲兩個普通線程沒有父子關係）其示意圖以下：

五 volatile內存語義的實現

　　爲了實現volatile的內存語義，JMM會分別限制這兩種類型的重排序。下圖是JMM針對編譯器指定的volatile重排序規則表。

• 當第二個操做爲volatile寫操做時,無論第一個操做是什麼(普通讀寫或者volatile讀寫),都不能進行重排序。這個規則確保volatile寫以前的全部操做都不會被重排序到volatile寫以後;
• 當第一個操做爲volatile讀操做時,無論第二個操做是什麼,都不能進行重排序。這個規則確保volatile讀以後的全部操做都不會被重排序到volatile讀以前;
• 當第一個操做是volatile寫操做時,第二個操做是volatile讀操做,不能進行重排序。

　　爲了實現 volatile 的內存語義，編譯器在生成字節碼時，會在指令序列中插入內存屏障（在JMM也有提到過且有說明對應的幾種屏障的做用，請仔細閱讀）來禁止特定類型的處理器重排序。下面是基於保守策略的 JMM 內存屏障插入策略：

• 在每一個 volatile 寫操做的前面插入一個 StoreStore 屏障（禁止前面的寫與volatile寫重排序）。

• 在每一個 volatile 寫操做的後面插入一個 StoreLoad 屏障（禁止volatile寫與後面可能有的讀和寫重排序）。

• 在每一個 volatile 讀操做的後面插入一個 LoadLoad 屏障（禁止volatile讀與後面的讀操做重排序）。

• 在每一個 volatile 讀操做的後面插入一個 LoadStore 屏障（禁止volatile讀與後面的寫操做重排序）。

 　　其中重點說下StoreLaod屏障，它是確保可見性的關鍵，由於它會將屏障以前的寫緩衝區中的數據所有刷新到主內存中。上述內存屏障插入策略很是保守，但它能夠保證在任意處理平臺，任意的程序中都能獲得正確的volatile語義。下面是保守策略（爲何說保守呢，由於有些在實際的場景是可省略的）下，volatile 寫操做 插入內存屏障後生成的指令序列示意圖：

　　其中StoreStore屏障能夠保證在volatile寫以前，其前面的全部普通寫操做對任意處理器可見（把它刷新到主內存）。另外volatile寫後面有StoreLoad屏障，此屏障的做用是避免volatile寫與後面可能有的讀或寫操做進行重排序。由於編譯器經常沒法準確判斷在一個volatile寫的後面是否須要插入一個StoreLoad屏障（好比，一個volatile寫以後方法當即return）爲了保證能正確實現volatile的內存語義，JMM採起了保守策略：在每一個volatile寫的後面插入一個StoreLoad屏障。由於volatile寫-讀內存語義的常見模式是：一個寫線程寫volatile變量，多個度線程讀同一個volatile變量。當讀線程的數量大大超過寫線程時，選擇在volatile寫以後插入StoreLoad屏障將帶來可觀的執行效率的提高。從這裏也可看出JMM在實現上的一個特色：首先確保正確性，而後再去追求效率（其實咱們工做中編碼也是同樣）。

　　下面是在保守策略下，volatile讀插入內存屏障後生產的指令序列示意圖：

　　上述volatile寫和volatile讀的內存屏障插入策略很是保守。在實際執行時，只要不改變volatile寫-讀的內存語義，編譯器能夠根據具體狀況忽略沒必要要的屏障。在JMM基礎中就有提到過各個處理器對各個屏障的支持度，其中x86處理器僅會對寫-讀操做作重排序。

六 總結

　　volatile主要做用是具備可見性和原子性（單個變量），其實現原理就是利用屏障來保障實現。要想完全掌握就應該多作下相關場景的編碼，經典的場景有：狀態標記量、volatile方式的double check等。

　　以上若有錯誤之處，歡迎指出，歡迎討論，謝謝！