volatile：可见性、有序性与原子性

来源：网络更新时间：2024-09-29 09:31:02

volatile是一种轻量级的同步机制，用于解决可见性和有序性问题，但并不保证原子性。

volatile的作用包括：

保证不同线程对共享变量进行操作时的可见性，即一个线程修改了某个变量的值，其他线程能够立即看到这个新值。
禁止进行指令重排序。

volatile的底层原理

内存屏障

volatile通过内存屏障来维护可见性和有序性。硬件层的内存屏障主要分为两种：Load Barrier（读屏障）和 Store Barrier（写屏障）。在Java内存屏障中，涉及四种屏障的排列组合。

每个volatile写前插入StoreStore屏障，用于禁止之前的普通写和volatile写的重排序，并保证可见性。
每个volatile写后插入StoreLoad屏障，防止volatile写与之后可能有的volatile读/写重排序。
每个volatile读后插入LoadLoad屏障，禁止之后所有的普通读操作和volatile读操作重排序。
每个volatile读后插入LoadStore屏障，禁止之后所有的普通写操作和volatile读重排序。

插入内存屏障相当于告诉CPU和编译器先于这个命令的必须先执行，后于这个命令的必须后执行。对一个volatile字段进行写操作时，Java内存模型会在写操作后插入一个写屏障指令，将之前的写入值都刷新到内存。

可见性原理

当对volatile变量进行写操作时，JVM会向处理器发送一条Lock#前缀的指令，实现两个步骤：

将当前处理器缓存行的数据写回到系统内存。
将其他处理器中缓存了该数据的缓存行设置为无效。

这是因为缓存一致性协议，每个处理器通过总线嗅探和MESI协议来检查自己的缓存是否过期。当处理器发现自己的缓存行对应的内存地址被修改，会将当前处理器的缓存行置为无效状态。处理器进行修改操作时，会重新从系统内存中将数据读取到处理器缓存中。

缓存一致性协议：当CPU写数据时，如果发现操作的变量是共享变量，即在其他CPU中也存在该变量的副本，会发出信号通知其他CPU将该变量的缓存行置为无效状态。当其他CPU需要读取这个变量时，就会从内存重新读取。

因此，volatile写是先插入内存屏障，然后再更新对应的主存地址的数据。

有序性原理

volatile的happens-before关系

根据happens-before规则中的volatile变量规则：对一个volatile域的写操作happens-before于任意后续对这个volatile域的读操作。

举例：

//假设线程A执行writer方法，线程B执行reader方法
class VolatileExample {
    int a = 0;
    volatile boolean flag = false;
    
    public void writer() {
        a = 1;              // 1 线程A修改共享变量
        flag = true;        // 2 线程A写volatile变量
    } 
    
    public void reader() {
        if (flag) {         // 3 线程B读同一个volatile变量
        int i = a;          // 4 线程B读共享变量
        ……
        }
    }
}

根据此规则，程序建立了三类happens-before关系：

根据程序次序规则：1 happens-before 2 且 3 happens-before 4。
根据volatile规则：2 happens-before 3。
根据happens-before的传递性规则：1 happens-before 4。

因此，线程A将volatile变量flag更改为true后，线程B能够迅速感知。

volatile禁止重排序

为了性能优化，JMM在不改变正确语义的前提下，允许编译器和处理器对指令序列进行重排序。JMM提供了内存屏障来阻止这种重排序。

JMM会针对编译器制定volatile重排序规则表。

为了实现volatile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，针对编译器来说，JMM采取了保守的策略：

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。

volatile写是在前面和后面分别插入内存屏障，而volatile读操作是在后面插入两个内存屏障。

为什么不能保证原子性

在多线程环境中，原子性指一个操作或一系列操作要么完全执行，要么完全不执行，不会被其他线程的操作打断。

尽管volatile关键字可以确保一个线程对变量的修改对其他线程立即可见，但对于读-改-写的操作序列来说是不够的。这是因为这些操作序列本身并不是原子的，例如：

public class Counter {
    private volatile int count = 0;
    
    public void increment() {
        count++; // 这实际上是三个独立的操作：读取count的值，增加1，写回新值到count
    }
}

在这个例子中，尽管count变量被声明为volatile，但increment()方法并不是线程安全的。多个线程同时调用increment()可能导致count的值只增加了1，而不是期望的2，因为count++操作不是原子的。

为了保证原子性，可以使用synchronized关键字或者java.util.concurrent.atomic包中的原子类（如AtomicInteger），这些机制能够保证此类操作的原子性。