理解 JAVA 中的 volatile

理解 JAVA 中的 volatile

一、 volatile简述

volatile是Java虚拟机提供的轻量级的同步机制(相对于synchronized)。主要作用是，1）保证共享变量的可见性；2）禁止指令重排序。

保证可见性

可见性就是指当一个线程修改了共享变量的值时，其他线程能够立即得知这个修改。。Java内存模型是通过在变量修改后将新值同步回主内 存，在变量读取前从主内存刷新变量值这种依赖主内存作为传递媒介的方式来实现可见性的，无论是 普通变量还是volatile变量都是如此。普通变量与volatile变量的区别是，volatile的特殊规则保证了新值 能立即同步到主内存，以及每次使用前立即从主内存刷新。因此我们可以说volatile保证了多线程操作时变量的可见性，而普通变量则不能保证这一点。

禁止指令重排

普通的变量仅会保证在该方法的执行过程中所有依赖赋值结果的地方都能获取到正确的结果，而不能保证变量赋值操作的顺序与程序代码中的执行顺序一致。因为在同一个线程的方法执行过程中无法感知到这点。这就是Java内存模型中描述的所谓“线程内表现为串行的语义”（Within-Thread As-If-Serial Semantics）。

摘自《深入理解Java虚拟机》

int f = 1;
int s = 0;
f++;
s++;

上面这段代码，由于指令重排序的优化，可能实际执行顺序与操作顺序不一致。下面两段代码的虽然顺序虽然不一样，但是语义是相同的。

int f = 1;
f++;
int s = 0;
s++;

int s = 0;
s++;
int f = 1;
f++;

如果使用volatile修改其中一个变量后，就能避免指令重排。简单来说，就是代码在实际执行过程中，并不全是按照编写的顺序进行执行的，在保证单线程执行结果不变的情况下，编译器或者CPU可能会对指令进行重排序，以提高程序的执行效率。但是在多线程的情况下，指令重排序可能会造成一些问题，最常见的就是双重校验锁单例模式。如果没有使用volatile关键字，则可能会出现其他线程获取了一个未初始化完成的singleton对象。

public class Singleton {
    private volatile static Singleton instance;

    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }

        return instance;
    }
    public static void main(String[] args) {
        Singleton.getInstance();
    }
}

二、volatile实现原理

1）可见性实现原理

对于volatile关键字修饰的变量，当对volatile变量进行写操作的时候，JVM会向处理器发送一条lock前缀的指令，将这个缓存中的变量回写到系统主存中。但是就算写回到内存，如果其他处理器缓存的值还是旧的，再执行计算操作就会有问题，所以在多处理器下，为了保证各个处理器的缓存是一致的，就会实现缓存一致性协议。

缓存一致性协议：每个处理器通过嗅探在总线上传播的数据来检查自己缓存的值是不是过期了，当处理器发现自己缓存行对应的内存地址被修改，就会将当前处理器的缓存行设置成无效状态，当处理器要对这个数据进行修改操作的时候，会强制重新从系统内存里把数据读到处理器缓存里。

所以，如果一个变量被volatile所修饰的话，在每次数据变化之后，其值都会被强制刷入主存。而其他处理器的缓存由于遵守了缓存一致性协议，也会把这个变量的值从主存加载到自己的缓存中。这就保证了一个volatile在并发编程中，其值在多个缓存中是可见的。

2）防止指令重排序实现原理

volatile防止指令重排序是通过内存屏障来实现的。内存屏障分为如下三种：

Store Barrier

Store屏障，是x86的”sfence“指令，强制所有在store屏障指令之前的store指令，都在该store屏障指令执行之前被执行。

Load Barrier

Load屏障，是x86上的”ifence“指令，强制所有在load屏障指令之后的load指令，都在该load屏障指令执行之后被执行

Full Barrie

Full屏障，是x86上的”mfence“指令，复合了load和save屏障的功能。

Java内存模型中volatile变量在写操作之后会插入一个store屏障，在读操作之前会插入一个load屏障。一个类的final字段会在初始化后插入一个store屏障，来确保final字段在构造函数初始化完成并可被使用时可见。也正是JMM在volatile变量读写前后都插入了内存屏障指令，进而保证了指令的顺序执行。

参考：

1. https://cloud.tencent.com/developer/article/1500256?from=article.detail.1894413
2. 《深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践》