volatile与java内存模型

Posted 2023-06-01 yumx

一、结论

先说结论，volatile能保证可见性和有序性，不能保证原子性。

二、volatile的内存语义

当写一个volatile变量时，会将变量值刷新回主内存

当读一个volatile变更时，会从主内存中读取最新值

三、内存屏障

是什么？

内存屏障是一类同步屏障指令，是cpu或编译器在对内存随机访问操作的一个同步点，使得该点之前的读写操作都执行后才开始执行此点的操作，避免代码重排序。

进一步说明，内存屏障就是一种jvm指令，java内存模型的重排规则要求java编译器在生成jvm指令时插入特定的内存屏障指令，volatile通过内存屏障指令保证了有序性和可见性。

 

内存屏障之前的写操作都刷新会主内存。

内存屏障之后的读操作都会获得内存屏障之前的所有写操作的最新结果。保证了可见性

重排序时，不允许把内存屏障之后的操作重排到内存屏障之前。

 

四、happens-before的volatile变量规则

当第一个操作为volatile读时，不论第二个操作是什么都不允许重排

当第二个操作为volatile写时，不论第一个操作是什么都不允许重排

当第一个操作为volatile写，第二个操作为volatile读时，不允许重排序

 

jmm会在每个volatile写前面插入一个StoreStrore屏障

jmm会在每个volatile写后面插入一个StoreLoad屏障

jmm会在每个volatile读后面插入一个LoadLoad和一个LoadStore屏障

 

JAVA内存模型与线程以及volatile理解

Java内存模型是围绕在并发过程中如何处理原子性、可见性、有序性来建立的。

一、主内存与工作内存
　　Java内存模型主要目标是在虚拟机中将变量存储到内存和从内存中取出变量。这里的变量包括：实例字段、静态字段、构成数组对象的元素；不包括局部变量和方法参数，因为它们是线程私有的。
Java内存模型规定了所有变量都存储在主内存，线程的工作内存保存该线程使用的变量的主内存副本拷贝。线程对变量的所有读取、赋值操作在工作内存中进行，不能直接读写主内存中的变量。不同线程之间的变量值传递在主内存中进行。
主内存主要对应于Java堆中的对象实例，工作内存主要对应于虚拟机栈中的部分区域。
线程、主内存、工作内存三者交互关系：

二、内存间的交互操作
　　lock（锁定）：作用于主内存的变量，把一个变量标识为一条线程独占状态 。
　　unlock（解锁）：作用于主内存变量，把一个处于锁定状态的变量释放出来，释放后的变量才可以被其他线程锁定。
　　read（读取）：作用于主内存变量，把一个变量值从主内存传输到线程的工作内存中，以便随后的load动作使用。
　　load（载入）：作用于工作内存的变量，它把read操作从主内存中得到的变量值放入工作内存的变量副本中。
　　use（使用）：作用于工作内存的变量，把工作内存中的一个变量值传递给执行引擎，每当虚拟机遇到一个需要使用变量的值的字节码指令时将会执行这个操作。
　　assign（赋值）：作用于工作内存的变量，它把一个从执行引擎接收到的值赋值给工作内存的变量，每当虚拟机遇到一个给变量赋值的字节码指令时执行这个操作。
　　store（存储）：作用于工作内存的变量，把工作内存中的一个变量的值传送到主内存中，以便随后的write的操作。
　　write（写入）：作用于主内存的变量，它把store操作从工作内存中一个变量的值传送到主内存的变量中。
这八种基本操作的规则：
　　不允许read和load、store和write操作之一单独出现。
　　不允许一个线程丢弃它的最近assign的操作，即变量在工作内存中改变了之后必须同步到主内存中。
　　不允许一个线程无原因地（没有发生过任何assign操作）把数据从工作内存同步回主内存中。
　　一个新的变量只能在主内存中诞生，不允许在工作内存中直接使用一个未被初始化（load或assign）的变量。即就是对一个变量实施use和store操作之前，必须先执行过了assign和load操作。
　　一个变量在同一时刻只允许一条线程对其进行lock操作，lock和unlock必须成对出现。
　　如果对一个变量执行lock操作，将会清空工作内存中此变量的值，在执行引擎使用这个变量前需要重新执行load或assign操作初始化变量的值。
　　如果一个变量事先没有被lock操作锁定，则不允许对它执行unlock操作；也不允许去unlock一个被其他线程锁定的变量。
　　对一个变量执行unlock操作之前，必须先把此变量同步到主内存中（执行store和write操作）。
三、对volatile变量的特殊规则
　　volatile是轻量级的同步机制。一个变量定义为volatile时，具备的特性：
1、此变量对所有线程的可见性，也就是一个线程修改了这个变量的值，新的值对其他线程来说是可以立即发现的。新的值能立即同步到主内存，每次使用前立即从主内存刷新。
2、禁止指令重排序。

volatile DCL单例模式实例：

/**
 * @author tangquanbin
 * @date 2018/12/04 22:37
 */
public class Singleton {

    private volatile static Singleton instance;

    public static Singleton getInstance(){
        if (instance ==null){
            synchronized (Singleton.class){
                if (instance == null){
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Singleton.getInstance();
    }
}

参考资料：
https://www.infoq.cn/article/ftf-java-volatile
https://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-jtp06197.html
《深入理解Java虚拟机》