Java内存模型-volatile的内存语义

 2019-12-10 15:51  阅读(760)
文章分类:Java Core

一 引言

  听说在Java 5之前volatile关键字备受争议,所以本文也不讨论1.5版本之前的volatile。本文主要针对1.5后即JSR-133针对volatile做了强化后的了解。

二 volatile的特性

  开门见山,volatile变量自身具有以下特性:

  • 可见性(最重要的特性)。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(包括64位long类型和double类型)单个volatile变量的读/写具有原子性。但是类型于a++这种复合操作不具有原子性。

  下面通过案例来证明下可见性,先看一个普通变量是否能保证可见性:

3 class Example {
     4     private boolean stop = false; 5 public void execute() { 6 int i = 0; 7 System.out.println("thread1 start loop."); 8 while(!getStop()) { 9 i++; 10 } 11 System.out.println("thread1 finish loop,i=" + i); 12 } 13 public boolean getStop() { 14 return stop; // 对普通变量的读 15 } 16 public void setStop(boolean flag) { 17 this.stop = flag; // 对普通变量的写 18 } 19 } 20 public class VolatileExample { 21 public static void main(String[] args) throws Exception { 22 final Example example = new Example(); 23 Thread t1 = new Thread(new Runnable() { 24 @Override 25 public void run() { 26 example.execute(); 27 } 28 }); 29 t1.start(); 30 31 Thread.sleep(1000); 32 System.out.println("主线程即将置stop值为true..."); 33 example.setStop(true); 34 System.out.println("主线程已将stop值为:" + example.getStop()); 35 System.out.println("主线程等待线程1执行完..."); 36 37 t1.join(); 38 System.out.println("线程1已执行完毕,整个流程结束..."); 39 } 40 }

  上面程序的意思是:让线程1先执行然后主(main)线程修改标志看是否能让子线程跳出循环。执行程序后发现程序并没有执行完,而是在等待线程1执行完毕。这就说明主线程修改stop变量并不对线程1可见,所以普通变量是不保证可见性的
20191210001364\_1.png

  当你把变量stop用volatile修饰时,主线程修改stop变量会立马对线程1可见并终止程序,这就证明volatile变量是具有可见性特性的。下面修改后的结果。

20191210001364\_2.png

  原子性特性已经说的很清楚了(对任意(包括64位long类型和double类型)单个volatile变量的读/写具有原子性),记着是对单个volatile变量的读或写才具有原子性(如果要进行测试的话,将上面案例的volatile变量修改成long/double类型,测试逻辑一样,只不过将它放在x86的机器上运行。因为在x86的机器上不能保证long类型和double类型的原子性的,具体原因在Java内存模型中的顺序一致性一节有说明)。另外任何复合操作都不能保证原子性,如a++,a = a+1, a = b。特别注意a = b这类,它实际上包含2个操作,它先要去读取b的值,再将b的值写入工作内存,虽然读取b的值以及将b的值写入工作内存这2个操作都是原子性操作,但是合起来就不是原子性操作了。

  想要理解透volatile特性有一个很好的方法,就是把对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。

三 volatile写-读建立的happens-before关系

  这个详细在happens-before规则中说明。

四 volatile写-读的内存语义

  • 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。
  • 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。

**  **以上面VolatileExample程序为例进行简单说明,当主线程对stop进行修改后且子线程尚未对stop进行读时,主线程已经把stop的值刷新到了主内存。其示意图如下:

20191210001364\_3.png

  当子线程进行读取时,会把本地内存置为无效直接去主内存中读取。(这里的主线程和子线程可以了解为两个普通线程没有父子关系)其示意图如下:

20191210001364\_4.png

五 volatile内存语义的实现

  为了实现volatile的内存语义,JMM会分别限制这两种类型的重排序。下图是JMM针对编译器指定的volatile重排序规则表。

20191210001364\_5.png

  • 当第二个操作为volatile写操作时,不管第一个操作是什么(普通读写或者volatile读写),都不能进行重排序。这个规则确保volatile写之前的所有操作都不会被重排序到volatile写之后;
  • 当第一个操作为volatile读操作时,不管第二个操作是什么,都不能进行重排序。这个规则确保volatile读之后的所有操作都不会被重排序到volatile读之前;
  • 当第一个操作是volatile写操作时,第二个操作是volatile读操作,不能进行重排序。

  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(在JMM也有提到过且有说明对应的几种屏障的作用,请仔细阅读)来禁止特定类型的处理器重排序。下面是基于保守策略的 JMM 内存屏障插入策略:

  • 在每个 volatile 写操作的前面插入一个 StoreStore 屏障(禁止前面的写与volatile写重排序)。
  • 在每个 volatile 写操作的后面插入一个 StoreLoad 屏障(禁止volatile写与后面可能有的读和写重排序)。
  • 在每个 volatile 读操作的后面插入一个 LoadLoad 屏障(禁止volatile读与后面的读操作重排序)。
  • 在每个 volatile 读操作的后面插入一个 LoadStore 屏障(禁止volatile读与后面的写操作重排序)。

  其中重点说下StoreLaod屏障,它是确保可见性的关键,因为它会将屏障之前的写缓冲区中的数据全部刷新到主内存中。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平台,任意的程序中都能得到正确的volatile语义。下面是保守策略(为什么说保守呢,因为有些在实际的场景是可省略的)下,volatile 写操作 插入内存屏障后生成的指令序列示意图:

20191210001364\_6.png

  其中StoreStore屏障可以保证在volatile写之前,其前面的所有普通写操作对任意处理器可见(把它刷新到主内存)。另外volatile写后面有StoreLoad屏障,此屏障的作用是避免volatile写与后面可能有的读或写操作进行重排序。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采取了保守策略:在每个volatile写的后面插入一个StoreLoad屏障。因为volatile写-读内存语义的常见模式是:一个写线程写volatile变量,多个度线程读同一个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。从这里也可看出JMM在实现上的一个特点:首先确保正确性,然后再去追求效率(其实我们工作中编码也是一样)。

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

20191210001364\_7.png

  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忽略不必要的屏障。在JMM基础中就有提到过各个处理器对各个屏障的支持度,其中x86处理器仅会对写-读操作做重排序。

六 总结

  volatile主要作用是具有可见性和原子性(单个变量),其实现原理就是利用屏障来保障实现。要想彻底掌握就应该多做下相关场景的编码,经典的场景有:状态标记量、volatile方式的double check等。

  以上如有错误之处,欢迎指出,欢迎讨论,谢谢!

  

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