Java內存模型——volatile關鍵字

時間 2019-11-29

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　　最近工做中又用到了volatile關鍵字，一直以來就是單純的使用，也沒有仔細看過相關內容，此次藉機會詳細的整理了下有關volatile的資料，記錄在案以備查閱。html

　　首先咱們來看一個小例子：java

 1 public class VolatileDemo1 {
 2     private boolean flag = true;
 3 
 4     public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
 5         VolatileDemo1 demo = new VolatileDemo1();
 6         Thread thread = new Thread(() -> {
 7             long start = System.currentTimeMillis();
 8             while (demo.flag) {
 9             }
10             long end = System.currentTimeMillis();
11             System.out.println("終止了while循環！flag的值爲：" + demo.flag);
12             System.out.println("耗時：" + ( end -start ));
13         });
14         thread.start();
15         TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
16         demo.flag = false;
17     }
18 }

　　這段代碼是volatile關鍵字的典型應用場景之一，兩個線程（主線程與thread 線程）經過共享一個變量進行信息交互，在上一段代碼中，因爲沒有爲flag變量加上volatile關鍵字，能夠預見，線程thread中的while循環並不會跳出。那麼，是否是隻有加volatile關鍵字能夠解決這個問題呢？或者說咱們能不能不改動代碼就達到目的（主線程中改變flag的值後，thread線程能夠讀到，使while循環能夠跳出）。答案固然是能夠的，咱們能夠採用如下方式：（如圖）程序員

　　在虛擬機參數選項上加上-Xint（請注意，這個參數在JDK1.8版本及以上），一樣可以使while循環跳出，那麼這個-Xint參數到底有什麼做用呢？請看如下截圖：編程

　　這張截圖來自Oracle的Java HotSpot VM Options 官方文檔，翻譯過來的意思是：「以純解釋模式運行應用程序。禁用編譯到本機代碼，全部字節碼由解釋器執行。在這種模式下，just in time (JIT)編譯器所提供的性能優點並不存在。」這麼說只要是禁止了JIT即時編譯，就起到了和加volatile同樣的做用，那他們兩個有什麼區別嗎？JIT即時編譯又作了什麼呢？請繼續往下看。windows

　　要扯明白上面的問題，咱們還要說下Java的內存模型，首先什麼是內存模型呢？周所周知，在現代計算機硬件系統的不斷改進中，CPU和內存之間的多級緩存機制致使的緩存一致性問題，以及爲了高效執行代碼而進行的處理器優化和指令重排序問題，是併發編程中的可見性、原子性、有序性問題的硬件層面緣由。在併發編程中，爲了保證共享內存的正確性（可見性、有序性、原子性），內存模型定義了共享內存系統中多線程程序讀寫操做行爲的規範。經過這些規則來規範對內存的讀寫操做，從而保證指令執行的正確性。它與處理器有關、與緩存有關、與併發有關、與編譯器也有關。他解決了CPU多級緩存、處理器優化、指令重排等致使的內存訪問問題，保證了併發場景下的一致性、原子性和有序性。緩存

　　說的直白點，內存模型就是解決多線程場景下併發問題的一個重要規範，而不一樣的編程語言對於這個規範，在實現上可能有所不一樣，而Java內存模型（Java Memory Model ,JMM）就是Java編程語言提供的一種符合內存模型規範的，屏蔽了各類硬件和操做系統的訪問差別的，保證了Java程序在各類平臺下對內存的訪問都能保證效果一致的機制及規範。同時Java中提供了一系列和併發處理相關的關鍵字，好比volatile、synchronized等，其實這些關鍵字就是對Java內存模型規範的一種實現，他們封裝了Java內存模型規範底層的實現後提供給程序員使用，用來解決Java併發編程問題。多線程

　　有了上面的對於內存模型的描述，那麼咱們就很好理解了，若是要解決併發編程中的問題，最簡單直接的作法就是不使用處理器執行代碼的優化技術、不使用指令重排序、不使用CPU緩存等等優化技術。可是，這麼作顯然就是因噎廢食了。而咱們使用的-Xint參數，根據官網的的描述（沒有JIT編譯的部分，所有是由解釋器解釋執行）和最終的執行結果看，咱們能夠推論出：-Xint參數的做用在廢止JIT即時編譯應該也就是廢除了指令重排序和CPU緩存等優化技術，這裏我沒有深刻的研究過這個參數和JIT，只是臨時應用，因此作出的推論徹底是根據官網的的描述和代碼的執行結果看，不必定徹底正確，若是有了解的大神，還請不吝賜教。併發

　　那下面咱們就來看看volatile關鍵字，顯然volatile關鍵字不會和-Xint同樣因噎廢食，全面封殺優化技術，那他是怎麼作的呢？oracle

　　首先內存模型解決併發問題主要採用兩種方式：限制處理器優化和使用內存屏障，volatile做爲內存模型規範的一種應用實現方式，天然也是實現這兩種方式。jvm

　　對於volatile變量，生成的彙編代碼在volatile修飾的共享變量進行寫操做的時候會多出一個Lock前綴的指令，將這個緩存中的變量回寫到系統主存中。

　　lock前綴指令實際上至關於一個內存屏障（也稱內存柵欄），內存屏障會提供3個功能：

　　1）它確保指令重排序時不會把其後面的指令排到內存屏障以前的位置，也不會把前面的指令排到內存屏障的後面；即在執行到內存屏障這句指令時，在它前面的操做已經所有完成；

　　2）它會強制將對緩存的修改操做當即寫入主存；

　　3）若是是寫操做，它會致使其餘CPU中對應的緩存行無效。

　　功能1至關於禁止指令重排序優化，解決了併發變成中有序性問題。

　　功能2和3，因爲他處理器的緩存遵照了緩存一致性協議，也會把這個變量的值從主存加載到本身的緩存中。這就保證了一個volatile變量在併發編程中，其值在多個緩存中是可見的，解決了併發變成中可見性問題。

　　注意：volatile並不能解決原子性問題。

　　經過以上一波操做，volatile完成了併發編程時解決有序性和可見性問題。

補充內容：