volatile、synchronized、final原理淺析

1. 前言

只會使用，不明白原理，就不能靈活運用，深入理解這幾個關鍵字，對於併發編程來講頗有幫助。

2. volatile

2.1 volatile 的做用

volatile 的做用有一下兩點：

• 修改當即可見
• 禁止指令重排序

可見性是指當一個線程修改了共享變量的值，其它線程可以適時得知這個修改。

致使線程可見性問題有兩個緣由：

1. 線程對變量進行修改未同步到主內存，那麼這個線程對改變量的修改就是不可見的。
2. 重排序。爲了提升程序的執行效率，編譯器在生成指令序列時和CPU執行指令序列時，都有可能對指令進行重排序。

2.2 原理

實現可見性： 禁用工做內存和 Happens-Before 規則的前三條

由 JMM 可知通常的變量寫是先寫到工做內存，而後由 buffer 刷到主存中的。volatile 標記的變量禁用了工做內存，即直接寫到主存中。其餘線程讀取該變量時，直接從主內存中讀取。

Happens-Before 規則的前三條：

1. 程序順序規則：一個線程中的每一個操做，happens-before於該線程中的任意後續操做。
2. 監視器鎖規則：對一個鎖的解鎖，happens-before 於隨後對這個鎖的加鎖。
3. volatile變量規則：對一個 volatile 域的寫，happens-before於任意後續對這個volatile 域的讀。

Happens-Before 規則可參考：

Java內存模型以及happens-before規則

禁止重排序的實現其實也依賴了 happen-before 原則。

JVM底層是經過一個叫作「內存屏障」的東西來完成。內存屏障，也叫作內存柵欄，是一組處理器指令，用於實現對內存操做的順序限制。

屏障類型	指令示例	說明
LoadLoad Barriers	Load1;LoadLoad;Load2	該屏障確保Load1數據的裝載先於Load2及其後全部裝載指令的的操做
StoreStore Barriers	Store1;StoreStore;Store2	該屏障確保Store1馬上刷新數據到內存(使其對其餘處理器可見)的操做先於Store2及其後全部存儲指令的操做
LoadStore Barriers	Load1;LoadStore;Store2	確保Load1的數據裝載先於Store2及其後全部的存儲指令刷新數據到內存的操做
StoreLoad Barriers	Store1;StoreLoad;Load2	該屏障確保Store1馬上刷新數據到內存的操做先於Load2及其後全部裝載裝載指令的操做。它會使該屏障以前的全部內存訪問指令(存儲指令和訪問指令)完成以後,才執行該屏障以後的內存訪問指令

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。該屏障用來保證在 volatile 寫以前，其前面全部的普通寫操做已經對任意處理器可見
• 在每一個 volatile 寫操做的後面插入一個 StoreLoad 屏障。避免 volatile 寫操做可能與後面可能有的 volatile 寫操做重排序
• 在每一個 volatile 讀操做的前面插入一個 LoadLoad 屏障。用來避免將 volatile 讀和前面的普通讀重排序
• 在每一個 volatile 讀後面插入一個 LoadStore 屏障。避免後面的普通寫和 volatile 讀重排序

所謂的保守策略即保證在任何處理器上都能獲得正確的語意，實際上編譯器會自動優化以省略某些語意（好比由於 X86 不會對讀讀、讀寫、寫寫重排序，就能夠省下這三種屏障）

編譯器不會對 volatile 讀與 volatile 讀後面的任意內存操做（包括對普通變量的讀寫）重排序，也不會對 volatile 寫與 volatile 寫前面的任意內存操做重排序

2.3 總結

簡而言之，volatile 變量自身具備下列特性：

1. 可見性。對一個 volatile 變量的讀，總能看到（任意線程）對這個 volatile 變量最後的寫入。
2. 原子性。對任意單個 volatile 變量的讀/寫具備原子性，但相似於 volatile++ 這種複合操做不具備原子性。

3. final

final 修飾變量、修飾方法、修飾類，都有什麼做用就不詳細講解了，講講原理。

對於final域，編譯器和處理器要遵照兩個重排序規則：

• 在構造函數內對一個final域的寫入，與隨後把這個被構造對象的引用賦值給一個引用變量，這兩個操做之間不能重排序。（先寫入final變量，後調用該對象引用）

緣由：編譯器會在final域的寫以後，插入一個StoreStore屏障

• 初次讀一個包含final域的對象的引用，與隨後初次讀這個final域，這兩個操做之間不能重排序（先讀對象的引用，後讀final變量）

緣由：編譯器會在讀final域操做的前面插入一個LoadLoad屏障

詳細講解參考：

Java併發（十九）：final實現原理

4. synchronized

synchronized 的底層是使用操做系統的 mutex lock 實現的。

• **內存可見性：**同步快的可見性是由「若是對一個變量執行 lock 操做，將會清空工做內存中此變量的值，在執行引擎使用這個變量前須要從新執行 load 或 assign 操做初始化變量的值」、「對一個變量執行 unlock 操做以前，必須先把此變量同步回主內存中（執行 store 和 write 操做）」這兩條規則得到的。
• **操做原子性：**持有同一個鎖的兩個同步塊只能串行地進入

synchronized 用的鎖是存在 Java 對象頭裏的。

JVM基於進入和退出 Monitor 對象來實現方法同步和代碼塊同步。代碼塊同步是使用 monitorenter 和 monitorexit 指令實現的，monitorenter 指令是在編譯後插入到同步代碼塊的開始位置，而 monitorexit 是插入到方法結束處和異常處。任何對象都有一個 monitor 與之關聯，當且一個 monitor 被持有後，它將處於鎖定狀態。`

根據虛擬機規範的要求，在執行 monitorenter 指令時，首先要去嘗試獲取對象的鎖，若是這個對象沒被鎖定，或者當前線程已經擁有了那個對象的鎖，把鎖的計數器加1；相應地，在執行 monitorexit 指令時會將鎖計數器減1，當計數器被減到 0 時，鎖就釋放了。若是獲取對象鎖失敗了，那當前線程就要阻塞等待，直到對象鎖被另外一個線程釋放爲止。

注意兩點：

一、synchronized 同步快對同一條線程來講是可重入的，不會出現本身把本身鎖死的問題；

二、同步塊在已進入的線程執行完以前，會阻塞後面其餘線程的進入。

想要詳細瞭解，下面這篇文章講德特別棒：

Java synchronized原理總結

5. 小結&參考資料

小結

這三個關鍵字在 JMM 中起着相當重要的做用，JMM 規範的保證依靠這些關鍵字實現。同時，這幾個關鍵字的熟練使用也很是很是重要，得深入理解。

參考資料

Java 併發編程：volatile的使用及其原理

Java併發編程的藝術

從Java多線程可見性談Happens-Before原則

談亂序執行和內存屏障

Java final關鍵字及其內存語義

Final of Java，這一篇差很少了

Java併發（十九）：final實現原理

Java synchronized原理總結