happens-before中 volatile 原则详解

Posted 2022-12-07 小猪快跑22

前言：本篇文章中主要讲解 happens-before 中关于 volatile 原则的理解。
volatile 变量规则：对一个volatile域的写，happens-before 于任意后续对这个 volatile 域的读。

一、volatile 关键字的作用：

1. 可见性：一个线程对共享变量的修改，另一个线程获取到的值一定是修改后的。
   测试代码如下：

public class TestVolatile 
    static boolean stop = false;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException 
        
        new Thread("线程1") 
            @Override
            public void run() 
                while (!stop) 
                
                System.out.println("线程停下来了");
            
        .start();
        TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(200);
        stop = true;
        System.out.println("需要停下来 >>> " + stop);
    

可以看到 主线程休眠200毫秒之后，设置 stop = ture，但是线程1根本没停下来，这就是可见性问题。
可以通过在 变量 stop 前面加上 volatile 关键字解决，大家可以自己验证。
2. 禁止指令重排序
经典的例子就是 DCL 单例：

class ViewModelManager 
    private ViewModelManager()
    
    private static volatile ViewModelManager mInstance;
    public static ViewModelManager getInstance()
        if (mInstance == null)
            synchronized (ViewModelManager.class)
                if (mInstance == null)
                    mInstance = new ViewModelManager(); // 注释【1】
            
        
        return mInstance;
    
 

// 注释【1】可以分为3步：

1. 为 ViewModelManager 分配内存空间
2. 初始化 ViewModelManager
3. 赋值给 mInstance

但是步骤2和步骤3是可以交换顺序的，这就导致其他线程获取到的ViewModelManager未初始化，导致功能异常。

二、volatile 内存屏障

为了实现 volatile 的内存语义，编译器在生成字节码时，会在指令序列中插入内存屏障来禁止特定类型的处理器重排序。对于编译器来说，发现一个最优布置来最小化插入屏障的总数几乎不可能，为此，JMM 采取保守策略。下面是基于保守策略的 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。

下面是保守策略下，volatile 写插入内存屏障后生成的指令序列示意图：

注意：StoreStore 保证上面的普通写操作对共享变量的修改已刷回主存。

volatile 读插入内存屏障后生成的指令序列示意图：

可以简单的归纳为如下的表格：

从上面的表格可以看出一下几点：
（1）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。
（2）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。
（3）当第一个操作是volatile写，第二个操作是volatile读时，不能重排序。

三、理解什么是 happens-before 原则中的 volatile 规则

happens-before来指定两个操作之间的执行顺序。

这两个操作可以在一个线程之内，也可以是在不同线程之间。因此JMM可以通过happens-before关系向程序员提供跨线程的内存可见性保证（如果 A线程的写操作 a 与 B 线程的读操作 b 之间存在happensbefore关系，尽管 a 操作和 b 操作在不同的线程中执行，但JMM向程序员保证 a 操作将对 b 操作可见）

volatile 规则 ：对一个volatile变量的写，happens-before 于任意后续对这个 volatile 变量的读。

举个例子：

class TestVolatile 
   private int a = 0;
   private volatile boolean flag = false;

  // 线程1
   public void write() 
       a = 1;          // 注释【1】
       flag = true;    // 注释【2】
       // 根据volatile写的内存屏障：volatile 写之前的操作禁止重排序到 volatile 写之后，
       // 且 volatile 写之后会将变量 flag 刷回主存，即 a = 1的值也会被刷回主存
   

  // 线程2
   public void read() 
       if (flag)      // 注释【3】
           int i =  a; // 注释【4】
           // 根据volatile读的内存屏障：volatile 读之后的操作禁止重排序到volatile读之前。
           // 所以这里面就会禁止指令重排序，只有 flag = true的时候才会将a的值赋给i。