java内存模型之二volatile内存语义

1 volatile的内存语义

　　1.1 理解volatile特性的一个好方法是把对volatile变量的单个读/写，看成是使用同一个锁对这些单个读/写操作做了同步。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，总是能看到（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有原子性。

　　简而言之，volatile变量自身具有下列特性。　　

　　·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：对任意单个volatile变量的读/写具有原子性，但类似于volatile++这种复合操作不具有原子性。

　　1 .2volatile的写读内存语义　

　　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。以下面示例程序VolatileExample为例；

public class VolatileExample {
    int a = 0;
    volatile boolean flag = false;
    public void writer(){
        a = 1;
        flag = true;
    }
    public void reader(){
        if (flag){
            int i = a;
        }
    }
}

　　假设线程A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。图3-17是线程A执行 volatile写后，共享变量的状态示意图。　

　　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，本地内存A和主内存中的共享变量的值是一致的。

volatile读的内存语义如下：　

　　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。线程接下来将从主内存中读取共享变量。

　　

　　如图所示，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成一致。

　　如果我们把volatile写和volatile读两个步骤综合起来看的话，在读线程B读一个volatile变 量后，写线程A在写这个volatile变量之前所有可见的共享变量的值都将立即变得对读线

总结写和读volatile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。

　  1.3volatile的内存语义实现

　　前文提到过重排序分为编译器重排序和处理器重排序。为了实现volatile内存语义，JMM 会分别限制这两种类型的重排序类型。表3-5是JMM针对编译器制定的volatile重排序规则表。

　　

　　当第二个操作是volatile写时，不管第一个操作是什么，都不能重排序。这个规则确保 volatile写之前的操作不会被编译器重排序到volatile写之后。
　　当第一个操作是volatile读时，不管第二个操作是什么，都不能重排序。这个规则确保 volatile读之后的操作不会被编译器重排序到volatile读之前。
　　当第一个操作是volatile写，第二个操作是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采取保守策略：

　　在每个volatile写操作的前面插入一个StoreStore屏障；

　　在每个volatile写操作的后面插入一个StoreLoad屏；

　　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；

下面是保守策略下，volatile写插入内存屏障后生成的指令序列示意图：

　　

　　如上图的StoreStore屏障可以保证在volatile写之前，其前面的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的普通写在volatile写之前刷新到主
内存。volatile写后面的StoreLoad屏障。此屏障的作用是避免volatile写与 后面可能有的volatile读/写操作重排序。因为编译器常常无法准确判断在一个volatile写的后面 是否需要插入一个StoreLoad屏障（比如，一个volatile写之后方法立即return）。为了保证能正确 实现volatile的内存语义，JMM在采取了保守策略：在每个volatile写的后面，或者在每个volatile 读的前面插入一个StoreLoad屏障。从整体执行效率的角度考虑，JMM最终选择了在每个 volatile写的后面插入一个StoreLoad屏障。因为volatile写-读内存语义的常见使用模式是：一个 写线程写volatile变量，多个读线程读同一个volatile变量。当读线程的数量大大超过写线程时， 选择在volatile写之后插入StoreLoad屏障将带来可观的执行效率的提升。从这里可以看到JMM

在实现上的一个特点：首先确保正确性，然后再去追求执行效率。

　　下面是在保守策略下，volatile读插入内存屏障后生成的指令序列示意图：

　　

 

　　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。下面通过具体的示例

　　由于volatile仅仅保证对单个volatile变量的读/写具有原子性，而锁的互斥执行的特性可以 确保对整个临界区代码的执行具有原子性。在功能上，锁比volatile更强大；在可伸缩性和执行 性能上，volatile更有优势。如果读者想在程序中用volatile代替锁，请一定谨慎