深度理解Java中volatile的内存语义

volatile可见性实验

举个栗子

我这里开了两个线程，后面的线程去修改volatile变量，前面的线程不断获取volatile变量，

结果是会一致卡在死循环，控制台没有任何输出

假如将flag让volatile来进行修饰

结果是：三秒后，就不会不断打印出信息出来

注意，Thread.sleep是会刷新线程内存的，所以不要使用Thread.sleep来分别让一个线程获取两次volatile变量

volatile的特性

volatile其实相当于对变量的单词读或写操作加了锁、做了同步

由于是加了锁，所以就有前面提到的锁的语义，即锁的happens-before，锁的happens-before规定了释放锁的操作对于后续获得锁操作是可见的，所以释放锁的线程对于后续获得锁的线程是可见的，意味着volatile修饰的变量的最后写入是可以被后面获得锁的线程读取的

32位的操作系统去操作64位的变量时，会分成高32位和低32位去执行，但由于锁，会导致这个操作也是具有原子性的，因为锁的语义决定了临界区代码的执行具有原子性，即必须要整个代码块执行完，如果没有锁，那么就不是原子性的，可能会被分成不连续的两步来执行

所以，volatile变量自身是具有下面特性的

1.原子性：无论多大的变量，对其单词读或写操作都是具有原子性的，但如果类似于i++这种操作就不具备原子性了，因为这本来就是两条命令

2.可见性：操作volatile变量的线程是可以获取前一个线程对其的修改，即当前线程总是可以看到volatile变量最后的写入

volatile 写与读的内存语义

我们先来研究一下什么依赖关系需要volatile

前面提到过总共有三种依赖关系

• 读后写
• 写后读
• 写后写

volatile是实现可见性的，所以写后写就不用考虑了，而且读后写是不需要可见性的，所以需要可见性的是写后读

写语义

volatile写的内存语义如下：

当写一个volatile变量时，JMM会把该线程对应的本地内存中的共享变量值刷新到主内存（即不仅修改了本地内存，而且还刷新到了主内存），注意，这个刷新是按缓存行的形式（64字节）

举个栗子

两个线程，A线程修改flag与A，flag与A原本为默认值

所以volatile的写是有两个操作的，然后这两个操作会合成一个原子操作

读语义

volatile的读内存语义为：当读一个volatile变量时，JVM会把线程对应的本地内存置为无效，接下来重新去主内存中读取共享变量，并且更新本地内存，注意：是读的时候会置为无效，假如不读就不会置为无效然后重新获取

还是上面的栗子，不过多了一个线程B，线程B一开始读的是默认值，后来再进行了一次读取

总结一下读写语义

读写语义对应的其实就是volatile的变量修饰后，会进行怎样的过程

其实volatile的读写语义，就是线程之间的通信，所以volatile也是实现了线程之间的通信，来提供可见性

• 线程A去写volatile变量，实质上是线程A对其他要操控该volatile变量的其他线程发出了消息，该消息表明了线程A已经把该变量修改了，其他线程需要重新去获取
• 线程B去读volatile变量时，实质上是线程B接收到了之前某个线程发出的消息（可能没有消息，不过也认为接收到），知道这个变量改了，需要去重新获取
• 所以A写B读，就实现了两个线程之间的通信，虽然不太严谨，因为可能A不写，B也要读

volatile的实现

前面已经提到过volatile的实现，字节码上加了acc_volatile修饰符，然后指令层面上是使用了内存屏障，下面就来再详细研究

volatile的内存语义实现

volatile还有一个功能就是可以防止命令重排序，也就是volatile的内存语义

为了实现volatile内存语义，JMM会限制重排序，因为重排序会让语义出现变化，也就是会打断与别的线程的通信，前面提到过，重排序总共有三种，而JMM会限制编译器重排序与处理器重排序，并不会限制内存重排序

单纯看表，很难去辨别为什么，所以下面只看不发生重排序的部分

• 当第二个操作是volatile写时，无论第一个操作是什么，都不能发生重排序，保证了volatile写之前的操作不会被重排序到写后面
• 当第一个操作是volatile读的时候，无论第二个操作是什么，都不能发生重排序，保证了volatile读之后的操作不会被重排序到读之前
• 当第一个操作为volatile写的时候，且第二个操作是volatile读的时候，是不可以发生重排序

第三个比较容易理解，因为volatile写会影响后面volatile读的嘛，先写后读跟线读后写是完全不一样的，所以两次操作分别为volatile读和volatile写或volatile写和volatile读都是不允许重排序的

关键在于前两条怎么理解

其实都是因为volatile的读语义，每次volatile读都会使缓存行失效，需要去重新获取缓存行，缓存行中不仅有volatile变量，还有其他共享变量

现在回到第二条

• 当第一个操作为volatile读的时候，后面也是普通读，重排序是没有问题，但如果后面是普通写，普通写后续可能是会刷新进主存中的，此时volatile读是会出现问题的
• 当第一个操作为volatile读的时候，第二个操作也为volatile读的时候，会形成两次新的缓存行，而每次缓存行相同变量对应的值都可能不一样，此时如果发生重排序，就会出现不一致，比如，不发生重排序时，从第一次新的缓存行里面读A，从第二次新的缓存行里面读B，发生了重排序后，就是从第一次新的缓存行里面读B2，从第二次新的缓存行里面读A2，B与B2是不一样的，A于A2也是不一样的，所以不可以重排序

现在回到第一条

• 当第一个操作为volatile写的时候，会直接修改主存，影响后面的volatile读，所以对于第二个操作为volatile读是不可以重排序的
• 当第一个操作为volatile写的时候，会直接修改主存，是会对其他线程造成影响的，同时重排序的话，会造成结果不一致，所以也不可以重排序volatile写
• 当第一个操作为volatile写的时候，可以普通读，但不可以普通写，因为普通写后面也会更新到主存中去，重排序也是会导致结果不一致的

接下来关于不需要重排序的

• 普通读写和普通读写之前没有volatile要求，所以可以重排序，当然这会导致并发问题
• 普通读写和volatile读之间，只有一个volatile读要求，这个读要求不会被普通读写影响，所以也是可以重排序，不过对于普通读写部分会产生并发问题

为了实现内存语义，编译器在生成字节码时，会在指令序列中插入内存屏障来禁止特定类型的处理器重排序，也就是上面提到的限制重排序的类型，对于执行效率来说，屏障数越少越好，但让JMM去动态发现最优的屏障布置是不可能的，所以采用了保守策略的JMM内存屏障和插入策略

1.在每一个volatile写操作的前面插入一个StoreStore屏障，保证了在volatile写操作之前，上面的所有写操作已经执行完成，并且都刷新到主存中

2.在每一个volatile写操作的后面插入一个StoreLoad屏障，保证了必须执行完volatile写操作，下面的读操作才可以执行

3.在每一个volatile读操作的后面插入一个LoadLoad屏障，保证了在volatile读之前，上面的所有读操作都要完成

4.在每一个volatile读操作的后面插入一个LoadStore屏障，保证了下面的写操作，必须要等待volatile读操作完成才可以继续

由于第一次操作为普通读，第二次操作为volatile读是允许发生重排序的，所以volatile读前面不需要加内存屏障

到此这篇关于深度理解Java中volatile的内存语义的文章就介绍到这了,更多相关volatile的内存语义内容请搜索我们以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持我们！