Java内存模型-volatile的内存语义

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。

　　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。

　　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：

　　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：

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。

• 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：

　　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：

　　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！