Java高并发学习笔记：volatile关键字

Posted 2021-05-16 氷泠

1 来源

• 来源：《Java高并发编程详解 多线程与架构设计》，汪文君著
• 章节：第十二、十三章

本文是两章的笔记整理。

2 CPU缓存

2.1 缓存模型

计算机中的所有运算操作都是由CPU完成的，CPU指令执行过程需要涉及数据读取和写入操作，但是CPU只能访问处于内存中的数据，而内存的速度和CPU的速度是远远不对等的，因此就出现了缓存模型，也就是在CPU和内存之间加入了缓存层。一般现代的CPU缓存层分为三级，分别叫L1缓存、L2缓存和L3缓存，简略图如下：

• L1缓存：三级缓存中访问速度最快，但是容量最小，另外L1缓存还被划分成了数据缓存（L1d，data首字母）和指令缓存（L1i，instruction首字母）
• L2缓存：速度比L1慢，但是容量比L1大，在现代的多核CPU中，L2一般被单个核独占
• L3缓存：三级缓存中速度最慢，但是容量最大，现代CPU中也有L3是多核共享的设计，比如zen3架构的设计

缓存的出现，是为了解决CPU直接访问内存效率低下的问题，CPU进行运算的时候，将需要的数据从主存复制一份到缓存中，因为缓存的访问速度快于内存，在计算的时候只需要读取缓存并将结果更新到缓存，运算结束再将结果刷新到主存，这样就大大提高了计算效率，整体交互图简略如下：

2.2 缓存一致性问题

虽然缓存的出现，大大提高了吞吐能力，但是，也引入了一个新的问题，就是缓存不一致。比如，最简单的一个i++操作，需要将内存数据复制一份到缓存中，CPU读取缓存值并进行更新，先写入缓存，运算结束后再将缓存中新的刷新到内存，具体过程如下：

• 读取内存中的i到缓存中
• CPU读取缓存i中的值
• 对i进行加1操作
• 将结果写回缓存
• 再将数据刷新到主存

这样的i++操作在单线程不会出现问题，但在多线程中，因为每个线程都有自己的工作内存（也叫本地内存，是线程自己的缓存），变量i在多个线程的本地内存中都存在一个副本，如果有两个线程执行i++操作：

• 假设两个线程为A、B，同时假设i初始值为0
• 线程A从内存中读取i的值放入缓存中，此时i的值为0，线程B也同理，放入缓存中的值也是0
• 两个线程同时进行自增操作，此时A、B线程的缓存中，i的值都是1
• 两个线程将i写入主内存，相当于i被两次赋值为1
• 最终结果是i的值为1

这个就是典型的缓存不一致问题，主流的解决办法有：

• 总线加锁
• 缓存一致性协议

2.2.1 总线加锁

这是一种悲观的实现方式，具体来说，就是通过处理器发出lock指令，锁住总线，总线收到指令后，会阻塞其他处理器的请求，直到占用锁的处理器完成操作。特点是只有一个抢到总线锁的处理器运行，但是这种方式效率低下，一旦某个处理器获取到锁其他处理器只能阻塞等待，会影响多核处理器的性能。

2.2.2 缓存一致性协议

图示如下：

缓存一致性协议中最出名的就是MESI协议，MESI保证了每一个缓存中使用的共享变量的副本都是一致的。大致思想是，CPU操作缓存中的数据时，如果发现该变量是一个共享变量，操作如下：

• 读取：不做其他处理，只是将缓存中数据读取到寄存器中
• 写入：发出信号通知其他CPU将该变量的缓存行设置为无效状态（Invalid），其他CPU进行该变量的读取时需要到主存中再次获取

具体来说，MESI中规定了缓存行使用4种状态标记：

• M：Modified，被修改
• E：Exclusive，独享的
• S：Shared，共享的
• I：Invalid，无效的

有关MESI详细的实现超出了本文的范围，想要详细了解可以参考此处或此处。

3 JMM

看完了CPU缓存再来看一下JMM，也就是Java内存模型，指定了JVM如何与计算机的主存进行工作，同时也决定了一个线程对共享变量的写入何时对其他线程可见，JMM定义了线程和主内存之间的抽象关系，具体如下：

• 共享变量存储于主内存中，每个线程都可以访问
• 每个线程都有私有的工作内存或者叫本地内存
• 工作内存只存储该线程对共享变量的副本
• 线程不能直接操作主内存，只有先操作了工作内存之后才能写入主内存
• 工作内存和JMM内存模型一样也是一个抽象概念，其实并不存在，涵盖了缓存、寄存器、编译期优化以及硬件等

简略图如下：

与MESI类似，如果一个线程修改了共享变量，刷新到主内存后，其他线程读取工作内存的时候发现缓存失效，会从主内存再次读取到工作内存中。

而下图表示了JVM与计算机硬件分配的关系：

4 并发编程的三个特性

文章都看了大半了还没到volatile？别急别急，先来看看并发编程中的三个重要特性，这对正确理解volatile有很大的帮助。

4.1 原子性

原子性就是在一次或多次操作中：

• 要么所有的操作全部都得到了执行，且不会受到任何因素的干扰而中断
• 要么所有的操作都不执行

一个典型的例子就是两个人转账，比如A向B转账1000元，那么这包含两个基本的操作：

• A的账户扣除1000元
• B的账户增加1000元

这两个操作，要么都成功，要么都失败，也就是不能出现A账户扣除1000但是B账户金额不变的情况，也不能出现A账户金额不变B账户增加1000的情况。

需要注意的是两个原子性操作结合在一起未必是原子性的，比如i++。本质上来说，i++涉及到了三个操作：

• get i
• i+1
• set i

这三个操作都是原子性的，但是组合在一起（i++）就不是原子性的。

4.2 可见性

另一个重要的特性是可见性，可见性是指，一个线程对共享变量进行了修改，那么另外的线程可以立即看到修改后的最新值。

一个简单的例子如下：

public class Main {
    private int x = 0;
    private static final int MAX = 100000;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Main m = new Main();
        Thread thread0 = new Thread(()->{
            while(m.x < MAX) {
                ++m.x;
            }
        });

        Thread thread1 = new Thread(()->{
            while(m.x < MAX){
            }
            System.out.println("finish");
        });

        thread1.start();
        TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(1);
        thread0.start();
    }
}

线程thread1会一直运行，因为thread1把x读入工作内存后，会一直判断工作内存中的值，由于thread0改变的是thread0工作内存的值，并没有对thread1可见，因此永远也不会输出finish，使用jstack也可以看到结果：

4.3 有序性

有序性是指代码在执行过程中的先后顺序，由于JVM的优化，导致了代码的编写顺序未必是代码的运行顺序，比如下面的四条语句：

int x = 10;
int y = 0;
x++;
y = 20;

有可能y=20在x++前执行，这就是指令重排序。一般来说，处理器为了提高程序的效率，可能会对输入的代码指令做一定的优化，不会严格按照编写顺序去执行代码，但可以保证最终运算结果是编码时的期望结果，当然，重排序也有一定的规则，需要严格遵守指令之间的数据依赖关系，并不是可以任意重排序，比如：

int x = 10;
int y = 0;
x++;
y = x+1;

y=x+1就不能先优于x++执行。

在单线程下重排序不会导致预期值的改变，但在多线程下，如果有序性得不到保证，那么将可能出现很大的问题：

private boolean initialized = false;
private Context context;
public Context load(){
    if(!initialized){
        context = loadContext();
        initialized = true;
    }
    return context;
}

如果发生了重排序，initialized=true排序到了context=loadContext()的前面，假设两个线程A、B同时访问，且loadContext()需要一定耗时，那么：

• 线程A通过判断后，先设置布尔变量的值为true，再进行loadContext()操作
• 线程B中由于布尔变量被设置为true，会直接返回一个未加载完成的context

5 volatile

好了终于到了volatile了，前面说了这么多，目的就是为了能彻底理解和明白volatile。这部分分为四个小节：

• volatile的语义
• 如何保证有序性以及可见性
• 实现原理
• 使用场景
• 与synchronized区别

先来介绍一下volatile的语义。

5.1 语义

被volatile修饰的实例变量或者类变量具有两层语义：

• 保证了不同线程之间对共享变量操作时的可见性
• 禁止对指令进行重排序操作

5.2 如何保证可见性以及有序性

先说结论：

• volatile能保证可见性
• volatile能保证有序性
• volatile不能保证原子性

下面分别进行介绍。

5.2.1 可见性

Java中保证可见性有如下方式：

• volatile：当一个变量被volatile修饰时，对共享资源的读操作会直接在主内存中进行（准确来说也会读取到工作内存中，但是如果其他线程进行了修改就必须从主内存重新读取），写操作是先修改工作内存，但是修改结束后立即刷新到主内存中
• synchronized：synchronized一样能保证可见性，能够保证同一时刻只有一个线程获取到锁，然后执行同步方法，并且确保锁释放之前，变量的修改被刷新到主内存中
• 使用显式锁Lock：Lock的lock方法能保证同一时刻只有一个线程能够获取到锁然后执行同步方法，并且确保锁释放之前能够将对变量的修改刷新到主内存中

具体来说，可以看一下之前的例子：

public class Main {
    private int x = 0;
    private static final int MAX = 100000;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Main m = new Main();
        Thread thread0 = new Thread(()->{
            while(m.x < MAX) {
                ++m.x;
            }
        });

        Thread thread1 = new Thread(()->{
            while(m.x < MAX){
            }
            System.out.println("finish");
        });

        thread1.start();
        TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(1);
        thread0.start();
    }
}

上面说过这段代码会不断运行，一直没有输出，就是因为修改后的x对线程thread1不可见，如果在x的定义中加上了volatile，就不会出现没有输出的情况了，因为此时对x的修改是线程thread1可见的。

5.2.2 有序性

JMM中允许编译期和处理器对指令进行重排序，在多线程的情况下有可能会出现问题，为此，Java同样提供了三种机制去保证有序性：

• volatile
• synchronized
• 显式锁Lock

另外，关于有序性不得不提的就是Happens-before原则。Happends-before原则说的就是如果两个操作的执行次序无法从该原则推导出来，那么就无法保证有序性，JVM或处理器可以任意重排序。这么做的目的是为了尽可能提高程序的并行度，具体规则如下：

• 程序次序规则：在一个线程内，代码按照编写时的次序执行，编写在后面的操作发生与编写在前面的操作之后
• 锁定规则：如果一个锁处于锁定状态，则unlock操作要先行发生于对同一个锁的lock操作
• volatile变量规则：对一个变量的写操作要早于对这个变量之后的读操作
• 传递规则：如果操作A先于操作B，操作B先于操作C，那么操作A先于操作C
• 线程启动规则：Thread对象的start()方法先行发生于对该线程的任何动作
• 线程中断规则：对线程执行interrupt()方法肯定要优于捕获到中断信号，换句话说，如果收到了中断信号，那么在此之前必定调用了interrupt()
• 线程终结规则：线程中所有操作都要先行发生于线程的终止检测，也就是逻辑单元的执行肯定要发生于线程终止之前
• 对象终结规则：一个对象初始化的完成先行发生于finalize()之前

对于volatile，会直接禁止对指令重排，但是对于volatile前后无依赖关系的指令可以随意重排，比如：

int x = 0;
int y = 1;
//private volatile int z;
z = 20;
x++;
y--;

在z=20之前，先定义x或先定义y并没有要求，只需要在执行z=20的时候，可以保证x=0,y=1即可，同理，x++或y--具体先执行哪一个并没有要求，只需要保证两者执行在z=20之后即可。

5.2.3 原子性

在Java中，所有对基本数据类型变量的读取赋值操作都是原子性的，对引用类型的变量读取和赋值也是原子性的，但是：

• 将一个变量赋值给另一个变量的操作不是原子性的，因为涉及到了一个变量的读取以及一个变量的写入，两个原子性操作结合在一起就不是原子性操作
• 多个原子性操作在一起就不是原子性操作，比如i++
• JMM只保证基本读取和赋值的原子性操作，其他的均不保证，如果需要具备原子性，那么可以使用synchronized或Lock，或者JUC包下的原子操作类

也就是说，volatile并不能保证原子性，例子如下：

public class Main {
    private volatile int x = 0;
    private static final CountDownLatch latch = new CountDownLatch(10);

    public void inc() {
        ++x;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Main m = new Main();
        IntStream.range(0, 10).forEach(i -> {
            new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                    m.inc();
                }
                latch.countDown();
            }).start();
        });
        latch.await();
        System.out.println(m.x);
    }
}

最后输出的x的值会少于10000，而且每次运行的结果也并不相同，至于原因，可以从两个线程A、B开始分析，图示如下：

• 0-t1：线程A将x读入工作内存，此时x=0
• t1-t2：线程A时间片完，CPU调度线程B，线程B将x读入工作内存，此时x=0
• t2-t3：线程B对工作内存中的x进行自增操作，并更新到工作内存中
• t3-t4：线程B时间片完，CPU调度线程A，同理线程A对工作内存中的x自增
• t4-t5：线程A将工作内存中的值写回主内存，此时主内存中的值为x=1
• t5以后：线程A时间片完，CPU调度线程B，线程B也将自己的工作内存写回主内存，再次将主内存中的x赋值为1

也就是说，多线程操作的话，会出现两次自增但是实际上只进行一次数值修改的操作。想要x的值变为10000也很简单，加上synchronized即可：

new Thread(() -> {
    synchronized (m) {
        for (int j = 0; j < 1000; j++) {
            m.inc();
        }
    }
    latch.countDown();
}).start();

5.3 实现原理

前面已经知道，volatile可以保证有序性以及可见性，那么，具体是如何操作的呢？

答案就是一个lock;前缀，该前缀实际上相当于一个内存屏障，该内存屏障会为指令的执行提供如下几个保障：

• 确保指令重排序时不会将其后面的代码排到内存屏障之前
• 确保指令重排序时不会将其前面的代码排到内存屏障之后
• 确保执行到内存屏障修饰的指令时前面的代码全部执行完成
• 强制将线程工作内存中的值修改刷新到主存中
• 如果是写操作，会导致其他线程工作内存中的缓存数据失效

5.4 使用场景

一个典型的使用场景是利用开关进行线程的关闭操作，例子如下：

public class ThreadTest extends Thread{
    private volatile boolean started = true;

    @Override
    public void run() {
        while (started){
            
        }
    }

    public void shutdown(){
        this.started = false;
    }
}

如果布尔变量没有被volatile修饰，那么很可能新的布尔值刷新不到主内存中，导致线程不会结束。

5.5 与synchronized的区别

• 使用上的区别：volatile只能用于修饰实例变量或者类变量，但是不能用于修饰方法、方法参数、局部变量等，另外可以修饰的变量为null。但synchronized不能用于对变量的修饰，只能修饰方法或语句块，而且monitor对象不能为null
• 对原子性的保证：volatile无法保证原子性，但是synchronized可以保证
• 对可见性的保证：volatile与synchronized都能保证可见性，但是synchronized是借助于JVM指令monitor enter/monitor exit保证的，在monitor exit的时候所有共享资源都被刷新到主内存中，而volatile是通过lock;机器指令实现的，迫使其他线程工作内存失效，需要到主内存加载
• 对有序性的保证：volatile能够禁止JVM以及处理器对其进行重排序，而synchronized保证的有序性是通过程序串行化执行换来的，并且在synchronized代码块中的代码也会发生指令重排的情况
• 其他区别：volatile不会使线程陷入阻塞，但synchronized会