Java 多线程 —— 深入理解 volatile 的原理以及应用

转载自 Java 多线程 —— 深入理解 volatile 的原理以及应用

推荐阅读：《java 多线程—线程怎么来的》

这一篇主要讲解一下volatile的原理以及应用，想必看完这一篇之后，你会对volatile的应用原理以及使用边界会有更深刻的认知。本篇主要内容：

volatile 读写同步原理
volatile重排序原则
volatile应用

关键字volatile是jvm提供的轻量级的同步机制，但它并不容易理解，而且在多数情况下用不到，被多数开发者抛弃并采用synchronized代替，synchronized属于重度锁，如果你对性能有高的要求，那么同等情况下，变量声明volatile会减小更少的同步开销。

在介绍之前，我们先抛出2个问题：

volatile究竟是如何保证共享变量的同步的？
i++操作为何对虚拟机来说不是原子操作？

一、volatile 读写同步原理

对变量进行volatile声明以后，会有以下特征:

1、可见性。保证此变量对所有线程是可见的。

2、原子性。只对任意单个volatile变量的读/写具有原子性（注意不是所有）。

3、有序性。被volatile声明过的变量会禁止指令重排序优化

happen-before 保证可见性

volatile变量的写-读可以实现线程之间的通信。happens-before是java内存模型向我们提供的内存可见性保证，这也就是我们第一个问题的解答，volatiel如何保证对共享变量同步的。

我们先回忆一下happens-before原则（我们只说和其相关的）：

程序次序法则：如果在程序中，所有动作 A 出现在动作 B 之前，则线程中的每动作 A 都 happens-before 于该线程中的每一个动作 B。
Volatile 变量法则：对 Volatile 域的写入操作 happens-before 于每个后续对同一 Volatile 的读操作。
传递性：如果 A happens-before 于 B，且 B happens-before C，则 A happens-before C。

我们通过一个示例来说明这些规则的应用:

比如现在有线程A和B,分别调取write和read方法。

第一种情况:

线程A先执行write方法之后，线程B执行read方法。那么:

1、基于程序次序法则。1 happens-before 2; 3 happens-before 4

2、基于volatile原则。2 happens-before 3；

3、基于传递性原则。因为 1 happens-before 2，2 happens-before 3，3 happens-before 4。那么可以推断出 1 happens-before 4,2 happens-before 4。

此种情况下，我们可以认定此时线程B中可以读取到线程A中写入的 a和b的值的。（a值没用声明volatile依然可以读取到，这个为何我们后面讲）

第二种情况:

线程B先执行read方法，之后线程A执行write方法。

1、基于程序次序法则。3 happens-before 4; 1 happens-before 2

2、基于volatile原则。无；

3、基于传递性原则。无传递；

此种情况下，我们可以此时认定线程B中没有读取到线程A中写入的a和b的值。

通过上面的分析我们可以对volatiel变量如此定义:

当write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刷新到主内存。
当read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。

对于第一种情况，我们看上述示例如何write和read的：

那么读到这里，有一个困惑：上述变量a并没有声明为volatile ，为何能被刷新到主内存中，难道不会被处理器重排序么？

二、volatile限制重排序

上述中我们讲到volatile 中有一个特性，有序性，防止jvm对其重排序，那么究竟是如何做的，我们看一下。

重排序分为编译器重排序和处理器重排序。为了实现volatile内存语义，jvm会分别限制这两种类型的重排序类型。

编译器重排序

针对编译器制定的volatile重排序规则:

上述表中，NO表示jvm不可以重排序，保持当前顺序。

比如第一行第三列中表示：第一个操作是变量的普通读写，第二个操作是volatile声明的变量写操作，那么此时对于操作1和操作2是不可以重排序的，保持当前顺序。

就好比上述示例中a 和b变量，满足此种情况，a和b的操作顺序不变。

上述规则用文字描述:

当第二个操作是volatile写时，不管第一个操作是什么，都不能重排序。这个规则确保volatile写之前的操作不会被编译器重排序到volatile写之后。
当第一个操作是volatile读时，不管第二个操作是什么，都不能重排序。这个规则确保volatile读之后的操作不会被编译器重排序到volatile读之前。
当第一个操作是volatile写，第二个操作是volatile读时，不能重排序。

注意，jvm只保证2个操作保持如此规则，不能延伸到2个以上的操作上。

处理器重排序

为了实现上述规则，jvm编译器在生成字节码的时候，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。

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读操作的前面插入一个LoadLoad屏障。
在每个volatile读操作的后面插入一个LoadStore屏障。

如此可以保证在任意处理器平台，任意的程序中都能得到正确的volatile重排序规则实现。

总结

volatile防止重排序，有什么作用？

happens-before是java内存模型向我们提供的内存可见性保证；而volatile的禁止重排序规则，包括volatile的编译器重排序规则和volatile的内存屏障插入策略，是jvm用来实现happens-before的方式。

比如上述程序中，根据happens-before的程序顺序规则：1 happens-before 2 ；3 happens-before 4.

而后根据volatile规则：2 happens-before 3. 如此操作 1、2、3、4的顺序得以延续。

也就是说volatile的禁止重排序规则，确保上述happens-before顺序。

三、应用

i++ 不是原子

上述原理介绍中，我们有说volatile只对只对任意单个volatile变量的读/写具有原子性，比如变量a的赋值操作，可以为原子的，但变量a++不为原子的，我们看个示例:

我们用javap 看下increCount的编译指令：

我看红色圈中的部分，increCount被分解了4个指令来操作，而 setCount只有1个指令来处理（原子的）。我们用代码的方式，increCount方法可以等价于以下：

所以说volatile只对只对任意单个volatile变量的读/写具有原子性,而i++实际上它是一个由读取－修改－写入操作序列组成的组合操作，属于多个操作，所以不具备原子性。

volatile 应用原则

要使 volatile 变量提供理想的线程安全，必须同时满足下面两个条件：

对变量的写操作不依赖于当前值。
该变量没有包含在具有其他变量的不变式中。

也就是说被写入 volatile 变量的这些有效值独立于任何程序的状态，包括变量的当前状态。

因此只有在状态真正独立于程序内其他内容时才能使用 volatile —— 这条规则能够避免将这些模式扩展到不安全的用例。

应用示例

1、赋值操作

上述 increCount中属于依赖当前count值的应用了，而setCount属于没有依赖当前值。所以后者属于线程安全。

2、线程取消

对一个线程取消或者中断的时候，有人会采用interrupted方法来中断，如果维护一个volatile变量来为何，无论外部线程如何调用，总能保证对当前线程的立即可见性。

当想终止这个线程的操作的时候，调用shutdown方法会比较安全。

通过以上原理和应用介绍，想必对于volatile不会那么陌生了，掌握原理，了解使用边界，让你的程序性能更高，可读性更强。我们如果严格遵循 volatile 的使用条件 —— 即变量真正独立于其他变量和自己以前的值 —— 在某些情况下可以使用 volatile 代替 synchronized 来简化代码。

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