Java——聊聊JUC中的volatile与内存屏障

Posted 2023-02-18 宋子浩

文章目录：

1.volatile内存语义

2.内存屏障

2.1 粗分两种：写屏障

2.2 粗分两种：读屏障

2.3 细分四种

3.volatile可见性介绍 

4.volatile无原子性介绍

5.volatile有序性介绍

6.如何正确使用volatile？

6.1 单一赋值可以，但是含有符合运算赋值不可以（比如i++）

6.2 开销较低的读，写锁策略

6.3 DCL双锁案例

7.小总结

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1.volatile内存语义

volatile修饰的变量拥有两大特性：可见性、有序性。

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立即刷新回到主内存中。

当读一个volatile变量时，JMM会把该线程对应的工作内存设置为无效，直接从主内存中读取共享变量。

所以volatile的写内存语义是直接刷新到主内存中，读的内存语义是直接从主内存中读取。

一句话，volatile修饰的变量在某个线程的工作内存中修改之后会立刻刷新到主内存，并把其他线程的工作内存中的该变量设置为无效。

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那么为什么volatile能够保证上面所说的可见性、有序性呢？？？   答案：内存屏障（Memory Barrier）

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2.内存屏障

回顾volatile的两大特性：可见性：立即刷新回主内存+失效处理。        有序性：禁止指令重排，存在数据依赖关系的指令禁止重排。（也即重排之后的指令不能发改变原程序的串行语义）

内存屏障（也称内存栅栏，内存栅障，屏障指令等，是一类同步屏障指令，是CPU或编译器在对内存随机访问的操作中的一个同步点，使得此点之前的所有读写操作都执行后才可以开始执行此点之后的操作），避免代码重排序。内存屏障其实就是一种JVM指令，Java内存模型的重排规则会要求Java编译器在生成JVM指令时插入特定的内存屏障指令 ，通过这些内存屏障指令，volatile实现了Java内存模型中的可见性和有序性，但volatile无法保证原子性 。

内存屏障之前的所有写操作都要回写到主内存，内存屏障之后的所有读操作都能获得内存屏障之前的所有写操作的最新结果 (实现了可见性)。

写屏障(Store Memory Barrier) ：告诉处理器在写屏障之前将所有存储在缓存(store buffer es) 中的数据同步到主内存。也就是说当看到Store屏障指令， 就必须把该指令之前所有写入指令执行完毕才能继续往下执行。
读屏障(Load Memory Barrier) ：处理器在读屏障之后的读操作， 都在读屏障之后执行。也就是说在Load屏障指令之后就能够保证后面的读取数据指令一定能够读取到最新的数据。

1. 阻止屏障两边的指令重排序。

2. 写数据时加入屏障，强制将线程私有工作内存的数据刷回主物理内存。

3. 读数据时加入屏障，线程私有工作内存的数据失效，重新到主物理内存中获取最新数据。

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内存屏障可以有以下几种分类：↓↓↓

2.1 粗分两种：写屏障

2.2 粗分两种：读屏障

写屏障：在写指令之后插入写屏障，强制把写缓冲区的数据刷回到主内存中。

读屏障：在读指令之前插入读屏障，让工作内存或CPU高速缓存当中的缓存数据失效，重新回到主内存中获取最新数据。

2.3 细分四种

针对第一种类型，一定要保证Load1读取在Load2读取之前，这也就保证了有序性，同时进行指令重排，Load2绝对不能排到Load1之前执行。

1.  重排序有可能影响程序的执行和实现， 因此， 我们有时候希望告诉JVM你别“自作聪明”给我重排序， 我这里不需要排序， 听主人的。

2.  对于编译器的重排序， JMM会根据重排序的规则， 禁止特定类型的编译器重排序。

3.  对于处理器的重排序， Java编译器在生成指令序列的适当位置， 插入内存屏障指令， 来禁止特定类型的处理器排序。

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1. 当第一个操作为volatile读时，不论第二个操作是什么，都不能重排序。这个操作保证了volatile读之后的操作不会被重排到volatile读之前。
2. 当第二个操作为volatile写时，不论第一个操作是什么，都不能重排序。这个操作保证了volatile写之前的操作不会被重排到volatile写之后。
3. 当第一个操作为volatile写时，第二个操作为volatile读时，不能重排。

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1. 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadLoad屏障
2. 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadStore屏障。
3. 在每个volatile写操作的前面插入一个StoreStore屏障：可以保证在volatile写之前，其前面的所有普通写操作都已经刷新到主内存中。
4. 在每个volatile写操作的后面插入一个StoreLoad屏障：避免与后续可能出现的volatile读写操作发生重排序。

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3.volatile可见性介绍 

保证不同线程对某个变量完成操作后结果及时可见，即该共享变量一旦改变所有线程立即可见。

package com.szh.demo.volatiles;

import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class VolatileDemo1 
    private static boolean flag = true;

    public static void main(String[] args) 
        new Thread(() ->
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " ---- come in");
            while (flag) 

            
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " ---- 检测到flag被修改为false，停止运行");
        , "t1").start();

        try 
            TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
         catch (InterruptedException e) 
            e.printStackTrace();
        

        flag = false;

        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " ---- 修改了flag为false");
    

通过上面的案例，我们可以看到，在main主线程中修改了flag为false，但是t1线程并不知道，因为针对flag变量，t1线程在最初启动执行时，将它从主内存中拷贝一份到自己的工作内存，而它后续一直看到的都是自己工作内存中这个flag变量的副本，永远都只是true；main主线程修改了，t1并不知道。

解决：将flag改为volatile修饰，做到在main主线程修改了flag为false之后，会立马将这个变量刷新回主内存，而此时t1工作内存中的flag变量就失效了，它会重新到主内存中读取新值。 

private static volatile boolean flag = true;

• read: 作用于主内存，将变量的值从主内存传输到工作内存，主内存到工作内存 （了解即可。。。）
• load: 作用于工作内存，将read从主内存传输的变量值放入工作内存变量副本中，即数据加载
• use: 作用于工作内存，将工作内存变量副本的值传递给执行引擎，每当JVM遇到需要该变量的字节码指令时会执行该操作
• assign: 作用于工作内存，将从执行引擎接收到的值赋值给工作内存变量，每当JVM遇到一个给变量赋值字节码指令时会执行该操作
• store: 作用于工作内存，将赋值完毕的工作变量的值写回给主内存
• write: 作用于主内存，将store传输过来的变量值赋值给主内存中的变量

由于上述6条只能保证单条指令的原子性，针对多条指令的组合性原子保证，没有大面积加锁，所以，JVM提供了另外两个原子指令：

• lock: 作用于主内存，将一个变量标记为一个线程独占的状态，只是写时候加锁，就只是锁了写变量的过程。
• unlock: 作用于主内存，把一个处于锁定状态的变量释放，然后才能被其他线程占用

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4.volatile无原子性介绍

volatile变量的复合操作不具有原子性，比如number++。

package com.szh.demo.volatiles;

import java.util.concurrent.TimeUnit;

class NumberDemo 
    int number;

    public synchronized void add() 
        number++;
    


public class VolatileDemo2 
    public static void main(String[] args) 
        NumberDemo numberDemo = new NumberDemo();
        for (int i = 1; i <= 10; i++) 
            new Thread(() -> 
                for (int j = 0; j < 1000; j++) 
                    numberDemo.add();
                
            , String.valueOf(i)).start();
        

        //睡2秒，确保上面10个线程的add操作可以执行完毕
        try 
            TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
         catch (InterruptedException e) 
            e.printStackTrace();
        

        System.out.println(numberDemo.number);
    

上面的代码运行结果没啥疑问：就是 10000。

那么如果我们将number改为 volatile 修饰，就会出现问题。（程序运行结果就不会是10000了）

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对于volatile变量具备可见性 ，JVM只是保证从主内存加载到线程工作内存的值是最新的，也仅是数据加载时是最新的。但是多线程环境下，“数据计算”和“数据赋值”操作可能多次出现，若数据在加载之后，若主内存volatile修饰变量发生修改之后，线程工作内存中的操作将会作废，去读主内存最新值，操作出现写丢失问题。即各线程私有内存和主内存公共内存中变量不同步 ，进而导致数据不一致。由此可见volatile解决的是变量读取时的可见性问题，但无法保证原子性，对于多线程修改主内存共享变量的场景必须使用加锁同步。

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• volatile不适合参与到依赖当前值的运算，如i=i+1，i++之类的

那么依靠可见性的特点volatile可以用在哪些地方呢？通常volatile用作保存某个状态的boolean值或int值。 （一旦布尔值被改变迅速被看到，就可以做其他操作）

由于volatile变量只能保证可见性，在不符合以下两种规则的运算场景中，我们仍然需要通过锁机制（synchronized、Lock、原子类）来保证原子性。

        ① 运算结果并不依赖变量的当前值，或者能够确保只有单一的线程修改变量的值。

       ② 变量不需要与其他的状态变量共同参与不变约束。

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5.volatile有序性介绍

重排序是指编译器和处理器为了优化程序性能而对指令序列进行重新排序的一种手段，有时候会改变程序语句的先后顺序。不存在数据依赖关系，可以重排序；

但重排后的指令绝对不能改变原有的串行语义！这点在并发设计中必须要重点考虑！

编译器优化的重排序： 编译器在不改变单线程串行语义的前提下，可以重新调整指令的执行顺序。
指令级并行的重排序： 处理器使用指令级并行技术来讲多条指令重叠执行，若不存在数据依赖性，处理器可以改变语句对应机器指令的执行顺序。
内存系统的重排序： 由于处理器使用缓存和读/写缓冲区，这使得加载和存储操作看上去可能是乱序执行。

数据依赖性 ：若两个操作访问同一变量，且这两个操作中有一个为写操作，此时两操作间就存在数据依赖性。

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

    public void write() 
        i = 2; //假如不加volatile，这两句话的顺序就有可能颠倒，影像最终结果
        flag = true;
    

    public void read() 
        if (flag) 
            System.out.println("---i = " + i);
        
    

 

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6.如何正确使用volatile？

6.1 单一赋值可以，但是含有符合运算赋值不可以（比如i++）

下面这两个单一赋值可以的

volatile int a = 10；

volatile boolean flag = false；  状态标志，判断业务是否结束。

6.2 开销较低的读，写锁策略

当读远多于写。最土的方法就是加两个synchronized，但是读用volatile，写用synchronized可以提高性能。

public class UseVolatileDemo 
    // 使用：当读远多于写，结合使用内部锁和 volatile 变量来减少同步的开销
    // 理由：利用volatile保证读取操作的可见性；利用synchronized保证复合操作的原子性
    private volatile int value;

    public int getValue() 
        return value;   //利用volatile保证读取操作的可见性
    

    public synchronized int increment() 
        return value++; //利用synchronized保证复合操作的原子性
    

6.3 DCL双锁案例

public class SafeDoubleCheckSingleton 
    //通过volatile声明，实现线程安全的延迟初始化。
    private static volatile SafeDoubleCheckSingleton singleton;

    //私有化构造方法
    private SafeDoubleCheckSingleton() 
    

    //双重锁设计
    public static SafeDoubleCheckSingleton getInstance() 
        if (singleton == null) 
            //1.多线程并发创建对象时，会通过加锁保证只有一个线程能创建对象
            synchronized (SafeDoubleCheckSingleton.class) 
                if (singleton == null) 
                    //隐患：多线程环境下，由于重排序，该对象可能还未完成初始化就被其他线程读取
                    //原理:利用volatile，禁止 "初始化对象"(2) 和 "设置singleton指向内存空间"(3) 的重排序
                    singleton = new SafeDoubleCheckSingleton();
                
            
        
        //2.对象创建完毕，执行getInstance()将不需要获取锁，直接返回创建对象
        return singleton;
    

 

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7.小总结

1. volatile写之前的的操作，都禁止重排到volatile之后
2. volatile读之后的操作，都禁止重排到volatile之前
3. volatile写之后volatile读，禁止重排序

                                                                                             volatile写和普通写禁止重排，volatile写和 volatile读写禁止重排。