Java内存模型——volatile关键字

Posted 2022-02-04 peripateticism

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了Java内存模型——volatile关键字相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

　　最近工作中又用到了volatile关键字，一直以来就是单纯的使用，也没有仔细看过相关内容，这次借机会详细的整理了下有关volatile的资料，记录在案以备查阅。

　　首先我们来看一个小例子：

 1 public class VolatileDemo1 
 2     private boolean flag = true;
 3 
 4     public static void main(String[] args) throws InterruptedException 
 5         VolatileDemo1 demo = new VolatileDemo1();
 6         Thread thread = new Thread(() -> 
 7             long start = System.currentTimeMillis();
 8             while (demo.flag) 
 9             
10             long end = System.currentTimeMillis();
11             System.out.println("终止了while循环！flag的值为：" + demo.flag);
12             System.out.println("耗时：" + ( end -start ));
13         );
14         thread.start();
15         TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
16         demo.flag = false;
17     
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　　这段代码是volatile关键字的典型应用场景之一，两个线程（主线程与thread 线程）通过共享一个变量进行信息交互，在上一段代码中，由于没有为flag变量加上volatile关键字，可以预见，线程thread中的while循环并不会跳出。那么，是不是只有加volatile关键字可以解决这个问题呢？或者说我们能不能不改动代码就达到目的（主线程中改变flag的值后，thread线程可以读到，使while循环可以跳出）。答案当然是可以的，我们可以采用以下方式：（如图）

技术图片

　　在虚拟机参数选项上加上-Xint（请注意，这个参数在JDK1.8版本及以上），同样能够使while循环跳出，那么这个-Xint参数到底有什么作用呢？请看以下截图：

技术图片

　　这张截图来自Oracle的Java HotSpot VM Options 官方文档，翻译过来的意思是：“以纯解释模式运行应用程序。禁用编译到本机代码，所有字节码由解释器执行。在这种模式下，just in time (JIT)编译器所提供的性能优势并不存在。”这么说只要是禁止了JIT即时编译，就起到了和加volatile一样的作用，那他们两个有什么区别吗？JIT即时编译又做了什么呢？请继续往下看。

　　要扯明白上面的问题，我们还要说下Java的内存模型，首先什么是内存模型呢？周所周知，在现代计算机硬件系统的不断改进中，CPU和内存之间的多级缓存机制导致的缓存一致性问题，以及为了高效执行代码而进行的处理器优化和指令重排序问题，是并发编程中的可见性、原子性、有序性问题的硬件层面原因。在并发编程中，为了保证共享内存的正确性（可见性、有序性、原子性），内存模型定义了共享内存系统中多线程程序读写操作行为的规范。通过这些规则来规范对内存的读写操作，从而保证指令执行的正确性。它与处理器有关、与缓存有关、与并发有关、与编译器也有关。他解决了CPU多级缓存、处理器优化、指令重排等导致的内存访问问题，保证了并发场景下的一致性、原子性和有序性。

　　说的直白点，内存模型就是解决多线程场景下并发问题的一个重要规范，而不同的编程语言对于这个规范，在实现上可能有所不同，而Java内存模型（Java Memory Model ,JMM）就是Java编程语言提供的一种符合内存模型规范的，屏蔽了各种硬件和操作系统的访问差异的，保证了Java程序在各种平台下对内存的访问都能保证效果一致的机制及规范。同时Java中提供了一系列和并发处理相关的关键字，比如volatile、synchronized等，其实这些关键字就是对Java内存模型规范的一种实现，他们封装了Java内存模型规范底层的实现后提供给程序员使用，用来解决Java并发编程问题。

　　有了上面的对于内存模型的描述，那么我们就很好理解了，如果要解决并发编程中的问题，最简单直接的做法就是不使用处理器执行代码的优化技术、不使用指令重排序、不使用CPU缓存等等优化技术。但是，这么做显然就是因噎废食了。而我们使用的-Xint参数，根据官网的的描述（没有JIT编译的部分，全部是由解释器解释执行）和最终的执行结果看，我们可以推论出：-Xint参数的作用在废止JIT即时编译应该也就是废除了指令重排序和CPU缓存等优化技术，这里我没有深入的研究过这个参数和JIT，只是临时应用，所以做出的推论完全是根据官网的的描述和代码的执行结果看，不一定完全正确，如果有了解的大神，还请不吝赐教。

　　那下面我们就来看看volatile关键字，显然volatile关键字不会和-Xint一样因噎废食，全面封杀优化技术，那他是怎么做的呢？

　　首先内存模型解决并发问题主要采用两种方式：限制处理器优化和使用内存屏障，volatile作为内存模型规范的一种应用实现方式，自然也是实现这两种方式。

　　对于volatile变量，生成的汇编代码在volatile修饰的共享变量进行写操作的时候会多出一个Lock前缀的指令，将这个缓存中的变量回写到系统主存中。

　　lock前缀指令实际上相当于一个内存屏障（也称内存栅栏），内存屏障会提供3个功能：

　　1）它确保指令重排序时不会把其后面的指令排到内存屏障之前的位置，也不会把前面的指令排到内存屏障的后面；即在执行到内存屏障这句指令时，在它前面的操作已经全部完成；

　　2）它会强制将对缓存的修改操作立即写入主存；

　　3）如果是写操作，它会导致其他CPU中对应的缓存行无效。

　　功能1相当于禁止指令重排序优化，解决了并发变成中有序性问题。

　　功能2和3，由于他处理器的缓存遵守了缓存一致性协议，也会把这个变量的值从主存加载到自己的缓存中。这就保证了一个volatile变量在并发编程中，其值在多个缓存中是可见的，解决了并发变成中可见性问题。

　　注意：volatile并不能解决原子性问题。

　　通过以上一波操作，volatile完成了并发编程时解决有序性和可见性问题。

补充内容：