从底层原理深度剖析volatile关键字

Posted 2020-12-11 erichi101

 

本篇文章从底层原理层面深度剖析volatile关键字是如何实现内存可见性的，同时引入了Java内存模型、指令重排序以及内存屏障等知识点作为原理分析的知识支撑。

阅读本文之前，推荐大家先阅读作者之前的一篇关于happens-before的文章，这样更有助于大家对volatile关键字底层原理的理解。

面试官为什么总是问happens-before规则，看完这篇文章你就懂了

简述Java内存模型

Java内存模型分为主内存和线程工作内存两大类。

主内存：多个线程共享的内存。如下图所示，方法区和堆属于主内存区域。

线程工作内存：每个线程独享的内存。如下图所示，虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器属于线程独享的工作内存。

 

 

 

 

Java内存模型规定：所有变量都需要存储在主内存中，线程工作内存保存了变量在主内存中的副本，线程对变量的所有操作都在工作内存中进行，执行结束后在同步到主内存中去。这里必然会存在时间差，在这个时间差内，该线程对副本的操作，对于其他线程是不见的，从而造成了可见性问题。

 

 

指令重排序

JVM对代码进行编译优化，导致代码可能并不是按照代码编写顺序执行，而是按照JVM进行编译优化后的顺序执行。指令重排序对并发编程安全性有很大影响，所以提供了一些happens-before规则定义一些禁止编译优化的场景。

volatile的作用

保证共享变量的可见性：使用volatile修饰的变量，任何线程对其进行操作都是在主内存中进行的，不会产生副本，从而保证共享变量的可见性。

防止局部指令重排序：happens-before规则中的volatile变量规则规定了一个线程先去写一个volatile变量，然后一个线程去读这个变量，那么这个写操作的结果一定对读的这个线程可见。

 

volatile如何防止指令重排序

volatile是通过内存屏障来防止指令重排序的。

硬件层面的内存屏障分为Load Barrier 和 Store Barrier即读屏障和写屏障。

对于Load Barrier来说，在指令前插入Load Barrier，可以让高速缓存中的数据失效，强制从新从主内存加载数据。对于Store Barrier来说，在指令后插入Store Barrier，能让写入缓存中的最新数据更新写入主内存，让其他线程可见。Java内存屏障类型把上述两种内存屏障两两组合，如下图所示：

 

 

volatile防止指令重排序具体步骤：

1.在每个volatile写操作的前面插入一个StoreStore屏障。

2.在每个volatile写操作的后面插入一个StoreLoad屏障。

3.在每个volatile读操作的后面插入一个LoadLoad屏障。

4.在每个volatile读操作的后面插入一个LoadStore屏障。

 

 

volatile写内存屏障示意图 

 

 volatile读内存屏障示意图

 

volatile总结

volatile解决的是多线程共享变量可见性问题，但是被volatile修饰的变量操作并非具有原子性。如下面代码所示：

 

 

上述代码两个线程同时执行count++操作1000次，多次执行结果均不为2000，可见被volatile修饰的变量操作不具有原子性。注：可以通过对count++加锁的方式或使用AtomicLong和LongAdder（JDK8推荐使用）类来实现count++的原子性。

 

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