【Java 并发】【四】volatile的使用以及内存屏障

1 前言

volatile是java语言提供的一个关键字，用来修饰变量的，使用volatile修饰的变量可以保证并发安全的可见性和有序性。

volatile int i = 0;
public void add() {
    i++;
}

使用方法就是声明变量之前加一个volatile关键字，然后变量 i 的操作就跟我们平常的操作是一样的。

但是添加的volatile的变量，在编译之后JVM会在操作该变量的前后添加一些指令来保证可见性和有序性，具体添加了啥指令我们接下来看看。

2 volatile对可见性保证

结合之前讲的MESI缓存一致性协议，看了一些资料。大概知道volatile在JMM层次和CPU高速缓存层次是怎么确保可见性的了：使用volatile关键字修饰的共享变量，每次线程使用之前都会重新从主内存中重新读取最新的值；一旦该共享变量的值被修改了，修改它的线程比如立刻将修改后的值强制刷新回主内存。

（1）首先看一下上面的图，有工作线程A、工作线程B；假如之前工作线程A、B都是用过这个共享变量i，工作内存中都有变量副本 x = 0
（2）这个时候工作线程A要执行 x++ 操作，按照volatile关键字的特性，每次使用之前必须从主内存重新读取，所以工作线程A重新从主内存读取（执行read、load指令）得到 x = 0没有变化
（3）然后执行use指令将 x = 0 传递给工作线程，执行 x++ 操作，得到 x = 1
（4）然后执行assign指令，将 x = 1的结果赋值给工作线程，按照volatile的特性；一旦共享变量的值被修改了，需要立即强制刷新回主内存。所以在执行assign赋值更新后的之后，立马执行store、write指令将最新的值传递到主内存，并且赋值给主内存的变量。
（5）此时工作线程B需要用到共享变量 x 了，即使工作内存里面有副本，但是每次还是会重新从主内存中重新读取最新的值，这个时候读取到 x = 1了

之前我们了解过MESI一致性怎么实现可见性了，由于java内存模型建立在CPU多级缓存模型之上，所以java内存模型底层也是通过MESI一致性的协议去达到可见性的目的，java内存模型会去适配不同操作系统对MESI一致性协议的不同实现方式。

对volatile的了解就到这里了，那么大家可能有这样的疑问：
比如volatile修饰的变量，怎么让每都让它从主存读取最新数据的？
修改了之后立刻刷新会主内存这个是怎么实现的？
还有volatile我看了一些资料说是通过禁止重排序来实现有序性的，那到底是通过什么来禁止重排序的？

其实这个就涉及到一个内存屏障的概念了，其实volatile的可见性和有序性都是通过内存屏障来实现的。包括上面说的读取数据的时候强制读取主内存数据，修改数据之后强制刷新到主内存，都是有相对应的内存屏障指令对应的。还有为了实现有序性而禁止volatile前后相关的指令进行重排序，在JVM乃至操作系统都是有相应的内存屏障指令的。

3 内存屏障

3.1 什么是内存屏障

本质上也是一种指令，只不过它具有屏障的作用而已，无论是在JAVA内存模型还是CPU层次，都是有具体的指令对应的，是一种特殊的指令。这种指令具有屏障的作用，所谓屏障，也就是类似关卡，类似栅栏，具有隔离的作用。

3.2 屏障分类

一类是强制读取主内存，强制刷新主内存的内存屏障，叫做Load屏障和Store屏障
一类是禁止指令重排序的内存屏障，有四个分别叫做LoadLoad屏障、StoreStore屏障、LoadStore屏障、StoreLoad屏障

3.3 强制读取/刷新主内存的屏障

Load屏障：执行读取数据的时候，强制每次都从主内存读取最新的值
Store屏障：每次执行修改数据的时候，强制刷新回主内存。

先画图讲解一下Load屏障：

如上图所示：在工作内存的变量名、变量的值之前有一道关卡或者栅栏，导致变量 i 获取不到工作内存中的值，所以每次只好主内存重新加载咯。

再讲解一下Store屏障：

如上图所示，每次执行assign指令将数据变更之后，后面都会紧紧跟着一个Store屏障，让你立刻刷新到主内存。

也就是说，只要加了Load屏障，相当于加了一个栅栏，不管工作内存是否有数据，都是从主内存读取数据。只要加了Store屏障，具有强制作用，进行assign操作将变量更改了之后，立刻将变量刷新到主内存里面

3.4 禁止指令重排序的屏障

下面再讲讲另外一类的内存屏障，下面这类的内存屏障的作用是禁止指令重排序，JAVA内存模型层次关于禁止重排序有下面4种屏障：

（1）LoadLoad屏障

序列：load1指令 LoadLoad屏障 load2指令
作用：在load1指令和load2指令之间加上 LoadLoad屏障，强制先执行load1指令再执行load2指令；load1指令和load2指令不能进行重排序（也就是说LoadLoad屏障的前面load指令禁止和屏障后面的load指令进行重排序）。

（2）StoreStore屏障

序列：store1指令 StoreStore屏障 store2指令
作用：在store1指令和store2指令之间加上StoreStore屏障，强制先执行store1指令再执行store2指令；store1指令不能和store2指令进行重排序（也就是说StoreStore屏障的前面的store指令禁止和屏障后面的store指令进行重排序）。

（3）LoadStore屏障

序列：load1指令 LoadStore屏障 store2指令
作用：在load1指令和store2指令之前加上LoadStore屏障，强制先执行load1指令再执行store2指令；load1指令和store2执行不能重排序（也就是说LoadStore屏障前面的load执行禁止和屏障后面的store指令进行重排序）。

（4）StoreLoad屏障

序列：store1指令 StoreLoad屏障 load2指令
作用：在store1指令和load2指令之间加上StoreLoad屏障，强制先执行store1指令再执行load2指令；store1指令和load2指令执行不能重排序（这个屏障功能比较强大，StoreLoad屏障前面的Store指令禁止和屏障后面的Store/Load指令进行重排）。

下面画个图，以StoreStore屏障和StoreLoad屏障举个例子，理解下大概是什么意思了：

（1）有三个区域分别是区域1、区域2、区域3
（2）区域1和区域2加了 StoreStore屏障，这样区域1和区域2的Store指令就被隔离开来，不能重排了
（3）区域2和区域3加了StoreLoad屏障，这样区域2和区域3的Store指令、Load指令就被隔离开来，不能重排了
（4）就相当于搞了个栅栏，禁止各个区域之间的指令跳来跳去的，否则就会导致乱序执行