volatile詳解

• 2019 年 10 月 5 日
• 筆記

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volatile關鍵字

作用

1）保證了不同執行緒對這個變數進行操作時的可見性，即一個執行緒修改了某個變數的值，這新值對其他執行緒來說是立即可見的。 2）禁止進行指令重排序

程式碼實例

如下程式碼，執行緒1去修改flag為true，當修改成功時，主執行緒就會列印字元，並跳出循環

當flag欄位沒有volatile關鍵字修飾時，程式卻陷入死循環。

而引入volatile關鍵字後，正常退出。

原因就是每個執行緒工作時，會把主存的變數拷貝一份到執行緒中，執行緒1改變了flag的值，並寫入到主存中，而主執行緒的flag在執行緒1寫入主存中前就拷貝到主執行緒了。並且經過虛擬機優化後的程式碼，指令重新排序了。while循環是CPU沒有重新從主存中獲取修改後的flag的值，所以才陷入死循環。

package JUC.volatile實例;    /**   * @author Veng Su [email protected]   * @date 2018/7/14 10:41   */  public class TestVolatile {        public static void main(String[] args) {          ThreadDemo td = new ThreadDemo();          new Thread(td).start();            while(true){              if(td.isFlag()){                  System.out.println("------------------");                  break;              }          }        }    }    class ThreadDemo implements Runnable {        private volatile boolean flag = false;        @Override      public void run() {            try {              Thread.sleep(200);          } catch (InterruptedException e) {          }            flag = true;            System.out.println("flag=" + isFlag());        }        public boolean isFlag() {          return flag;      }        public void setFlag(boolean flag) {          this.flag = flag;      }    }

什麼是指令重排？

引用自https://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3920373.html

概念

指令重排序是JVM為了優化指令，提高程式運行效率，在不影響單執行緒程式執行結果的前提下，儘可能地提高並行度。編譯器、處理器也遵循這樣一個目標。注意是單執行緒。多執行緒的情況下指令重排序就會給程式設計師帶來問題。

例子

如果一個操作不是原子的，就會給JVM留下重排的機會。下面看幾個例子：

例子1：A執行緒指令重排導致B執行緒出錯 對於在同一個執行緒內，這樣的改變是不會對邏輯產生影響的，但是在多執行緒的情況下指令重排序會帶來問題。看下面這個情景:

在執行緒A中:

context = loadContext();  inited = true;

在執行緒B中:

while(!inited ){ //根據執行緒A中對inited變數的修改決定是否使用context變數     sleep(100);  }  doSomethingwithconfig(context);

假設執行緒A中發生了指令重排序:

inited = true;  context = loadContext();

那麼B中很可能就會拿到一個尚未初始化或尚未初始化完成的context,從而引發程式錯誤。

例子2：指令重排導致單例模式失效 我們都知道一個經典的懶載入方式的雙重判斷單例模式：

public class Singleton {    private static Singleton instance = null;    private Singleton() { }    public static Singleton getInstance() {       if(instance == null) {          synchronzied(Singleton.class) {             if(instance == null) {                 <strong>instance = new Singleton();  //非原子操作             }          }       }       return instance;     }  }

看似簡單的一段賦值語句：instance= new Singleton()，但是很不幸它並不是一個原子操作，其實際上可以抽象為下面幾條JVM指令：

memory =allocate();    //1：分配對象的記憶體空間  ctorInstance(memory);  //2：初始化對象  instance =memory;     //3：設置instance指向剛分配的記憶體地址

上面操作2依賴於操作1，但是操作3並不依賴於操作2，所以JVM是可以針對它們進行指令的優化重排序的，經過重排序後如下：

memory =allocate();    //1：分配對象的記憶體空間  instance =memory;     //3：instance指向剛分配的記憶體地址，此時對象還未初始化  ctorInstance(memory);  //2：初始化對象

可以看到指令重排之後，instance指向分配好的記憶體放在了前面，而這段記憶體的初始化被排在了後面。

在執行緒A執行這段賦值語句，在初始化分配對象之前就已經將其賦值給instance引用，恰好另一個執行緒進入方法判斷instance引用不為null，然後就將其返回使用，導致出錯。

禁止指令重排序的意思

1）當程式執行到volatile變數的讀操作或者寫操作時，在其前面的操作的更改肯定全部已經進行，且結果已經對後面的操作可見；在其後面的操作肯定還沒有進行； 2）在進行指令優化時，不能將在對volatile變數訪問的語句放在其後面執行，也不能把volatile變數後面的語句放到其前面執行。 可能上面說的比較繞，舉個簡單的例子：

//x、y為非volatile變數  //flag為volatile變數    x = 2;        //語句1  y = 0;        //語句2  flag = true;  //語句3  x = 4;         //語句4  y = -1;       //語句5

由於flag變數為volatile變數，那麼在進行指令重排序的過程的時候，不會將語句3放到語句1、語句2前面，也不會講語句3放到語句4、語句5後面。但是要注意語句1和語句2的順序、語句4和語句5的順序是不作任何保證的。

並且volatile關鍵字能保證，執行到語句3時，語句1和語句2必定是執行完畢了的，且語句1和語句2的執行結果對語句3、語句4、語句5是可見的。

volatile實現禁止指令重排的原理

volatile關鍵字通過提供「記憶體屏障」的方式來防止指令被重排序，為了實現volatile的記憶體語義，編譯器在生成位元組碼時，會在指令序列中插入記憶體屏障來禁止特定類型的處理器重排序。

大多數的處理器都支援記憶體屏障的指令。

對於編譯器來說，發現一個最優布置來最小化插入屏障的總數幾乎不可能，為此，Java記憶體模型採取保守策略。下面是基於保守策略的JMM記憶體屏障插入策略：

在每個volatile寫操作的前面插入一個StoreStore屏障。

在每個volatile寫操作的後面插入一個StoreLoad屏障。

在每個volatile讀操作的前面插入一個LoadLoad屏障。

在每個volatile讀操作的後面插入一個LoadStore屏障。

引用自http://ifeve.com/memory-barriers-or-fences/

記憶體屏障是什麼？

概念

記憶體屏障或記憶體柵欄，也就是讓一個CPU處理單元中的記憶體狀態對其它處理單元可見的一項技術。

硬體層的記憶體屏障分為兩種：Load Barrier 和 Store Barrier即讀屏障和寫屏障。

作用：

1. 阻止屏障兩側的指令重排序；
2. 強制把寫緩衝區/高速快取中的臟數據等寫回主記憶體，讓快取中相應的數據失效。

對於Load Barrier來說，在指令前插入Load Barrier，可以讓高速快取中的數據失效，強制從新從主記憶體載入數據； 對於Store Barrier來說，在指令後插入Store Barrier，能讓寫入快取中的最新數據更新寫入主記憶體，讓其他執行緒可見

引用自https://www.jianshu.com/p/2ab5e3d7e510

java記憶體屏障

java的記憶體屏障通常所謂的四種即LoadLoad,StoreStore,LoadStore,StoreLoad實際上也是上述兩種的組合，完成一系列的屏障和數據同步功能。 LoadLoad屏障：對於這樣的語句Load1; LoadLoad; Load2，在Load2及後續讀取操作要讀取的數據被訪問前，保證Load1要讀取的數據被讀取完畢。 StoreStore屏障：對於這樣的語句Store1; StoreStore; Store2，在Store2及後續寫入操作執行前，保證Store1的寫入操作對其它處理器可見。 LoadStore屏障：對於這樣的語句Load1; LoadStore; Store2，在Store2及後續寫入操作被刷出前，保證Load1要讀取的數據被讀取完畢。 StoreLoad屏障：對於這樣的語句Store1; StoreLoad; Load2，在Load2及後續所有讀取操作執行前，保證Store1的寫入對所有處理器可見。它的開銷是四種屏障中最大的。在大多數處理器的實現中，這個屏障是個萬能屏障，兼具其它三種記憶體屏障的功能

參考文獻：

https://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3920373.html http://ifeve.com/memory-barriers-or-fences/ http://www.importnew.com/23535.html https://www.jianshu.com/p/2ab5e3d7e510