volatile特性详解_volatile是怎么保证单词读写原子性的

目录

1 前言

2 volatile变量读写的原子性和普通变量读写的非原子性

2.1 volatile读写原子性依据

2.2 普通变量读写非原子性依据

2.3 非原子性例子

3 可见性

4 禁止指令重排序

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1 前言

volatile变量有三个特性：

• 原子性：对任意单个volatile变量的读/写具有原子性。
• 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（靠原子性保障）。
• 能够防止相关指令重排序。

2 volatile变量读写的原子性和普通变量读写的非原子性

volatile变量的读和写操作都是原子的，在读和写的过程中其它线程不能对变量进行读或写。而普通变量是没办法做到的，因为将普通变量读和写并不是原子的，非原子操作的各条指令之间Anything can happen。

2.1 volatile读写原子性依据

根据《java并发编程的艺术》，可以把对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。示例代码如下：

class VolatileFeaturesExample {
    //使用volatile声明64位的long型变量
    volatile long vl = 0L;
 
    public void set(long l) {
        vl = l;   //单个volatile变量的写
    }
    public void getAndIncrement () {
        vl++;    //复合（多个）volatile变量的读/写
    }
    public long get() {
        return vl;   //单个volatile变量的读
    }
}

上面的代码可以等价于：

class VolatileFeaturesExample {
    long vl = 0L;               // 64位的long型普通变量
 
    //对单个的普通 变量的写用同一个锁同步
    public synchronized void set(long l) {             
       vl = l;
    }
 
    public void getAndIncrement () { //普通方法调用
        long temp = get();           //调用已同步的读方法
        temp += 1L;                  //普通写操作
        set(temp);                   //调用已同步的写方法
    }
    public synchronized long get() { 
        //对单个的普通变量的读用同一个锁同步
        return vl;
    }
}

其揭示了volatile变量的一个重要特性：volatile的读写操作可以看成是原子的。

2.2 普通变量读写非原子性依据

在java内存模型中，普通变量的读写操作是不具有原子性的，这里我们必须要提到java内存模型的内存交互操作。《深入理解java虚拟机》书中介绍了在java内存模型中，主内存与工作内存之间的具体交互是通过8种操作来完成的，虚拟机保证了这八种操作每一种都是原子的，8中操作如下：

lock(锁定)：作用于主内存，它把一个变量标记为一条线程独占状态；
read(读取)：作用于主内存，它把变量值从主内存传送到线程的工作内存中，以便随后的load动作使用；
load(载入)：作用于工作内存，它把read操作的值放入工作内存中的变量副本中；
use(使用)：作用于工作内存，它把工作内存中的值传递给执行引擎，每当虚拟机遇到一个需要使用这个变量的指令时候，将会执行这个动作；
assign(赋值)：作用于工作内存，它把从执行引擎获取的值赋值给工作内存中的变量，每当虚拟机遇到一个给变量赋值的指令时候，执行该操作；
store(存储)：作用于工作内存，它把工作内存中的一个变量传送给主内存中，以备随后的write操作使用；
write(写入)：作用于主内存，它把store传送值放到主内存中的变量中。
unlock(解锁)：作用于主内存，它将一个处于锁定状态的变量释放出来，释放后的变量才能够被其他线程锁定；

书中还介绍了：如果要把一个变量从主内存复制到工作内存，就要顺序地执行read和load操作（该过程对应全局变量的读操作）；如果要把变量从工作内存同步回主内存，就要顺序地执行store和write操作（该过程对应全局变量的写操作）。同时，java内存模型只要求上述两个操作必须按顺序执行，而没有保证是连续执行。也就是说，read与load之间、store与write之间是可以插入其它指令的（包括线程的切换），这就是为什么说普通变量的读写操作不具有原子性。

2.3 非原子性例子

如果有两个线程对主内存中的普通变量a进行访问，线程1先对a进行写操作，线程2随后对a进行读操作，则可能出现的顺序是store a（线程1）、read a（线程2）、load a（线程2）、write a（线程1），这个代码执行的结果是线程2读的仍是线程1修改之前的值，而从代码顺序上来看，我们的预期是线程2读到的是线程1修改之后的值，这就导致对变量a的修改不能立刻被其它线程所知道。

从上述过程我们可以得出一个结论，那就是对于一个普通的全局变量来说，组成读写操作的每一条指令是原子的，但读或写操作并不仅仅是由一条指令组成，且jvm中允许在一个操作的多条指令中插入其它指令，这就导致了对普通变量的写操作可能对其它线程不是立即可见的，对某个变量的读操作可能会出现读到过期数据（读期间被修改）的情况。

3 从JMM（Java内存模型）角度看立即可见性

volatile变量的可见性体现在两方面：

• 对一个volatile变量的读总是能看到任意线程对这个变量最后的写，即每次读取volatile变量的时候，会使线程工作内存中的变量副本无效，从而必须从主内存中更新变量值。
• 对一个volatile变量进行写操作后，会立刻将修改的值同步到主内存，以便于后面读取该变量的线程获取到的是最新的值。

通过第2点可知，volatile变量克服了普通变量读写操作的非原子性弊端，在写回主内存的过程中其它线程不能对变量进行读或写，直到当前线程把变量从主内存读到工作内存或写到主内存为止。通过将读写操作变成原子操作，可以保证：线程1对变量a的写操作若先发生于线程2对变量a的读操作，那么线程2读到的a的值必定是线程1修改过的最新值。

3.1 从操作系统角度看立即可见性

对volatile变量进行的写操作代码，翻译成汇编语言后会发现在写指令的后面会多出另一行汇编代码。lock前缀指令的作用是：

1. 将当前处理器缓存行中的数据写入到内存中。
2. 使该数据在其它处理器中的缓存失效。

这样下次其它处理器读取该volatile变量数据时都会从内存中获取，不会直接从缓存中获取。

volatile Object instance = new Singleton();
 
// 汇编指令
movb addr1, addr2;
lock addl addr1,addr2;    // 多出的汇编代码

4 禁止指令重排序

在jvm中，指令重排序在多个线程同时访问一个普通变量的情况下，可能会导致程序执行结果发生错误，具体例子可以查看我的另一篇文章：指令重排序。为了避免这种错误，可以用volatile变量代替普通变量。

为了实现volatile语义，java内存模型（JMM）会分别限制这两种类型的重排序类型，具体见下表：

比如说，当第一个操作是对普通变量的读/写，第二个操作是对volatile变量的写时，不允许第一个操作重排序到第二个操作后面。

为了限制重排序，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，内存屏障的具体知识参见：指令重排序。对于一个编译器来说，发现一个最优不止来最小化插入屏障的总数几乎不可能，为此java内存模型采取保守策略：

• 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。

上述内存屏障插入策略非常保守，但它可以保证在任意处理器平台，任意的程序中都能得到正确得volatile内存语义。

等等，这里好像有个问题，表中显示，当第一个操作时普通读、第二个操作时volatile写时，重排序不被允许。但volatile的4个内存屏障插入策略似乎不能防止这种情况，因为volatile写操作之前没有插入LoadStore屏障？这个问题留着之后去探究吧。

5 volatile可见性底层实现（缓存一致性MESI）

https://www.sohu.com/a/305919295_458015