并发编程之Java内存模型volatile的内存语义

1、volatile的特性

理解volatile特性的一个好办法是把对volatile变量的单个读/写，看成是使用同一个锁对单个读/写操作做了同步。

代码示例：

package com.lizba.p1;

/**
 * <p>
 *      volatile示例
 * </p>
 *
 * @Author: Liziba
 * @Date: 2021/6/9 21:34
 */
public class VolatileFeatureExample {

    /** 使用volatile声明64位的long型变量 */
    volatile long v1 = 0l;

    /**
     * 单个volatile写操作
     * @param l
     */
    public void set(long l) {
        v1 = l;
    }

    /**
     * 复合(多个)volatile读&写
     */
    public void getAndIncrement() {
        v1++;
    }

    /**
     * 单个volatile变量的读
     * @return
     */
    public long get() {
        return v1;
    }

}

假设有多个线程分别调用上面程序的3个方法，这个程序在语义上和下面程序等价。

package com.lizba.p1;

/**
 * <p>
 *      synchronized等价示例
 * </p>
 *
 * @Author: Liziba
 * @Date: 2021/6/9 21:46
 */
public class SynFeatureExample {

    /** 定义一个64位长度的普通变量 */
    long v1 = 0L;

    /**
     * 使用同步锁对v1变量进行写操作
     * @param l
     */
    public synchronized void set(long l) {
        v1 = l;
    }

    /**
     *  通过同步读和同步写方法对v1进行+1操作
     */
    public void getAndIncrement() {
        long temp = get();
        // v1加一
        temp += 1L;
        set(temp);
    }

    /**
     * 使用同步锁对v1进行读操作
     * @return
     */
    public synchronized long get() {
        return v1;
    }

}

如上两个程序所示，一个volatile变量的单个读\写操作，与一个普通变量的读\写操作都是使用同一个锁来同步，它们之间的执行效果相同。

上述代码总结：

锁的happens-before规则保证释放锁和获取锁的两个线程之间的内存可见性，这意味着对一个volatile变量的读，总能看到（任意线程）对这个volatile变量最后的写入。
锁的语义决定了临界区代码的执行具有原子性。这意味着，即使是64位的long型和double型变量，只要它是volatile变量，对该变量的读/写就具有原子性。如果是多个volatile操作或类似于volatile++这种复合操作，这些操作整体上不具备原子性。

总结volatile特性：

• 可见性。对一个volatile变量的读，总是能看到（任意线程）对这个volatile变量最后的写入。
• 原子性。对任意volatile变量的读/写具有原子性，但类似volatile++这种复合操作不具有原子性。

2、volatile写-读建立的happens-before关系

• 对于程序员来说，我们更加需要关注的是volatile对线程内存的可见性。

从JDK1.5（JSR-133）开始，volatile变量的写-读可以实现线程之间的通信。从内存语义的角度来说，volatile的写-读与锁的释放-获取有相同的内存效果。

• volatile的写和锁的释放有相同的内存语义
• volatile的读和锁的获取有相同的内存语义

代码示例：

package com.lizba.p1;

/**
 * <p>
 *
 * </p>
 *
 * @Author: Liziba
 * @Date: 2021/6/9 22:23
 */
public class VolatileExample {

    int a = 0;

    volatile boolean flag = false;

    public void writer() {
        a = 1;                              // 1
        flag = true;                        // 2
    }

    public void reader() {
        if (flag) {                         // 3
            int i = a;                      // 4
            System.out.println(i);
        }
    }

}

假设线程A执行writer()方法之后，线程B执行reader()方法。根据happens-before规则，

这个过程建立的happens-before关系如下：

• 根据程序次序规则，1 happens-before 2， 3 happens-before 4。
• 根据volatile规则，2 happens-before 3。
• 根据happens-before的传递性规则，1 happens-before 4。

图示上述happens-before关系：

总结：这里A线程写一个volatile变量后，B线程读同一个volatile变量。A线程在写volatile变量之前所有可见的共享变量，在B线程读同一个volatile变量后，将立即对B线程可见。

3、volatile写-读的内存语义

volatile写的内存语义

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。

以上面的VolatileExample为例，假设A线程首先执行writer()方法，随后线程B执行reader()方法，初始时两个线程的本地内存中的flag和a都是初始状态。

A执行volatile写后，共享变量状态示意图。

线程A在写flag变量后，本地内存A中被线程A更新过的两个共享变量的值被刷新到主内存中，此时A的本地内存和主内存中的值是一致的。

volatile读的内存语义

当读一个volatile变量时，JMM会把该线程对应的本地内存置为无效。线程接下来将会从主内存中读取共享变量。

B执行volatile读后，共享变量的状态示意图:

在读flag变量后，本地内存B包含的值已经被置为无效。此时，线程B必须从主内存中重新读取共享变量。线程B的读取操作将导致本地内存B与主内存中的共享变量的值变为一致。

总结volatile的写和volatile读的内存语义

• 线程A写一个volatile变量，实质上是线程A向接下来将要读这个volatile变量的某个线程发出了（其对共享变量所做修改的）消息。
• 线程B读一个volatile变量，实质上是线程B接收了之前某个线程发出的（在写这个volatile变量之前对共享变量所做修改的）消息。
• 线程A写一个volatile变量，随后线程B读这个volatile变量，这个过程实质上是线程A通过主内存向线程B发送消息。

4、volatile内存语义实现

程序的重排序分为编译器重排序和处理器重排序（我的前面的博文内容有写哈）。为了实现volatile内存语义，JMM会分别禁止这两种类型的重排序。

volatile重排序规则表:

上图举例：第一行最后一个单元格意思是，在程序中第一个操作为普通读/写时，如果第二个操作为volatile写，则编译器不能重排序。

总结上图：

• 第二个操作是volatile写时，都不能重排序。确保volatile写之前的操作不会被编译器重排序到volatile之后
• 第一个操作为volatile读时，都不能重排序。确保volatile读之后的操作不会被编译器重排序到volatile之前
• 第一个操作为volatile写，第二个操作为volatile读时，不能重排序。

为了实现volatile的内存语义，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。

JMM采取的是保守策略内存屏障插入策略，如下：

• 在每个volatile写操作屏障前面插入一个StoreStore屏障。
• 在每个volatile写操作的后面插入一个StoreLoad屏障
• 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadLoad屏障。
• 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadStore屏障。

保守策略可以保证在任意处理器平台上，任意程序中都能得到正确的volatile内存语义。

保守策略下，volatile写插入内存屏障后生成的指令序列图：

解释：

StoreStore屏障可以保证在volatile写之前，其前面所有普通写操作已经对任意处理器可见了。这是因为StoreStore屏障将保障上面所有普通写在volatile写之前刷新到主内存。

保守策略下，volatile读插入内存屏障后生成的指令序列图：

解释：

LoadLoad屏障用来禁止处理器把上面的volatile读与下面的普通读重排序。LoadStore屏障用来禁止处理器把上面的volatile读与下面的普通写重排序。

上述volatile写和volatile读的内存屏障插入策略非常保守。在实际执行时，只要不改变volatile写-读的内存语义，编译器可以根据具体情况省略不必要的屏障。

代码示例：

package com.lizba.p1;

/**
 * <p>
 *      volatile屏障示例
 * </p>
 *
 * @Author: Liziba
 * @Date: 2021/6/9 23:48
 */
public class VolatileBarrierExample {

    int a;
    volatile int v1 = 1;
    volatile int v2 = 2;

    void readAndWrite() {
        // 第一个volatile读
        int i = v1;
        // 第二个volatile读
        int j = v2;
        // 普通写
        a = i + j;
        // 第一个volatile写
        v1 = i + 1;
        // 第二个volatile写
        v2 = j * 2;
    }

    // ... 其他方法

}

针对VolatileBarrierExample的readAndWrite()，编译器生成字节码时可以做如下优化：

注意：最后的StoreLoad屏障无法省略。因为第二个volatile写之后，程序return。此时编译器无法准确断定后面是否会有volatile读写操作，为了安全起见，编译器通常会在这里插入一个StoreLoad屏障。

上面的优化可以针对任意处理器平台，但是由于不同的处理器有不同的“松紧度”的处理器内存模型，内存屏障的插入还可以根据具体的处理器内存模型继续优化。

X86处理器平台优化

X86处理器仅会对写-读操作做重排序。X86不会对读-读、读-写和写-写重排序，因此X86处理器会省略掉这3种操作类型对应的内存屏障。在X86平台中，JMM仅需要在volatile写后插入一个StoreLoad屏障即可正确实现volatile写-读内存语义。同时这样意味着X86处理器中，volatile写的开销会远远大于读的开销。

5、volatile和锁的比较

功能上：

锁比volatile更强大

可伸缩性和执行性能上：

volatile更具有优势

到此这篇关于并发编程之Java内存模型volatile的内存语义的文章就介绍到这了,更多相关Java内存模型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！