并发学习笔记07-volatile的内存语义

WindCoder

发布于 2020-01-26 20:51:19

3770

发布于 2020-01-26 20:51:19

文章被收录于专栏：WindCoder

该并发学习系列以阅读《Java并发编程的艺术》一书的笔记为蓝本，汇集一些阅读过程中找到的解惑资料而成。这是一个边看边写的系列，有兴趣的也可以先自行购买此书学习。

volatile的特性

对volatile变量的单个读/写，可看成是使用同一个锁对这些单个读/写操作做了同步。如示例：

class VolatileFeaturesExample {
    // 使用volatile声明64位的long型变量。
    volatile long vl = 0L;

    public void set(long l) {
        // 单个volatile变量的写
        vl = l;
    }

    public void getAndIncrement() {
        // 复合（多个）volatile变量的读/写
        vl++;
    }

    public long get() {
        // 单个volatile变量的读
        return vl;
    }
}

当有多个线程分别调用上面程序中的3个方法，这个程序在语义上和下面的程序等价；

class VolatileFeaturesExample {
    // 64位的long型普通变量
    long vl = 0L;

    /**
    * 对单个的普通变量的写用同一个锁同步
    */
    public synchronized void set(long l){
        vl = l;
    }

    /**
    * 普通方法调用
    */
    public void getAndIncrement() {
        // 调用已同步的读方法。
        long temp = get();
        // 普通鞋操作
        temp +=1L;
        // 调用已同步的写方法
        set(temp);
    }

    /**
    * 对单个的普通变量的读用同一个锁同步
    */
    public synchronized long get() {
        return vl;
    }
}

由此可见，一个volatile变量的单个读/写操作，与一个普通变量的读/写操作都是使用同一个锁来同步，它们之间的执行效果相同。

锁的happens-before规则保证释放锁和获取锁的两个线程之间的内存可见性。

锁的语义决定了临界区代码的执行具有原子性。

简而言之，volatile变量自身具有以下特性：

可见性：对一个volatile变量的读，总是能够看到（任意线程）对这个volatile变量最后的写入。
原子性：对任意单个volatile变量的读/写操作具有原子性，但类似于volatile++这样的复合操作不具有原子性。

volatile写-读建立的happens-before关系

从JSR-133开始（即JDK5开始），volatile变量的写-读可以实现线程之间的通信。

从内存语义的角度来说，volatile的写-读与锁的释放-获取有相同的内存效果：

volatile写和锁的释放有相同的内存语义。
volatile读与锁的获取有相同的内存语义。

下面我们通过相关示例来分析volatile写-读建立的happens-before关系：

class VolatileTest {
    int i = 0;
    volatile boolean flag = false;

    // Thread A
    public void writer(){
        i = 2;               // 1   
        flage = true;       // 2
    }
    // Thread B
    public void reader() {
        if(flage) {                                         //3
            System.out.println("---windocdr.com----: " + i); // 4
        }
    }
}

假设线程A执行writer()方法后，线程B执行reader()方法。根据happens-before规则，上面的程序得到如下关系：

已久程序次序规则：1 happens-before 2；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；

A线程在写volatile变量之前所有可见的共享变量，在B线程读取同一个volatile之后，将立即变得对B线程可见。

volatile写-读的内存语义

volatile的内存语义如下：

写的内存语义：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刷新到主内存。
读的内存语义：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。

线程A写一个volatile变量，实质上是线程A向接下来将要读这个volate变量的某个线程发出了（其对共享变量所做修改的）消息。

线程B读一个volate变量，实质上是线程B接收了之前某个线程发出的（在写这个volatile变量之前对共享变量所做修改）消息。

线程A写一个volatile变量，随后线程B读取该变量，这个过程实质是线程A通过主内存向线程B发送消息。

volatile内存语义的实现

前文提到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，JMM会分别限制这两种类型的重排序类型。以下是JMM针对编译器制定的的volatile重排序规则表：

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辑器重排序到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辑器重排序到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。

为了实现volatile的内存语义，编辑器在生成字节码时，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。

JMM采用保守策略。以下是基于保守策略的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。
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。

该策略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内存语义。

StoreStore屏障将保证上面所有的普通写在volatile写之前刷新到主内存。
StoreLoad屏障的作用是避免volatile写与后面可能有的volatile读/写操作重排序。
LoadLoad屏障用来禁止处理器把上面的volatile读与下面的普通读重排序。
LoadStore屏障用来禁止处理器把上面的volatile读与下面的普通写重排序。

volatile写插入内存屏障后生成的指令序列示意图如下：

volatile读插入内存屏障后生成的指令序列图：

从整体执行效率的角度考虑，JMM最终选择了在每个volatile写之后插入一个StoreLoad屏障，而不是volatile读之前。因为volatile写-读内存语义的常见使用模式是：一个写线程写volatile变量，多个读线程读同一个volatile变量。当读线程大大超过写线程时，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。从这里可见JMM在实现上的一个特点：首先确保正确性，然后再去追求执行效率。

实际执行时，只要不改变volatile的内存语义，编译器可以根据具体情况省略不必要的屏障。如实例：

class VolatileTest {
    int a;
    volatile int v1 = 1;
    volatile int v2 = 2;

    void readAndWrite() {
        int i = v1;   // 第一个volatile读
        int j = v2;  // 第二个volatile读
        a = i+j;    // 普通写
        v1 = i+2;  // 第一个volatile写
        v2 = j*2;  // 第二个volatile写
    }
    ...... // 其他方法
}

中的readAndWrite()方法，编译器生成字节码时可以做如下优化：