volatile语义

Posted 2020-08-22

volatile在Java内存模型（JMM）中，保证共享变量对所有线程可见，但不保证原子性。volatile语义是同步，通过共享变量的方式，完成线程间的通信。

为什么需要volatile

Java内存模型中抽象、简化了计算机物理设备，分成工作内存和主内存，线程有各自的工作内存，却共享主内存。如果要把Java内存模型与物理设备映射起来的话，L1，L2 Cache可以视为工作内存，而L3 Cache视为主内存。线程执行指令时，会优先选择距离 CPU 较近的位置的工作内存中使用，而不会从读写速度较慢的主内存中，我称之为“就近原则”。当线程指令执行完后，赋值给工作内存，如果不回写到主内存，或者通知其他线程，其他线程是无法知晓变量已经修改，仍然会使用曾经缓存在工作内存中的变量，这就造成了缓存不一致的问题，Java使用volatile解决这种问题。volatile保证指令赋值完后的变量立即同步回主内存中，声明并通知其他线程当前赋值的变量已经失效，其他线程在下次使用时会放弃工作内存中变量，使用主内存中的变量。这样就完成了线程间对于volatile修饰的变量的通信。

可见性

执行引擎只与工作内存交互，再有工作内存与主内存交互。站在执行引擎的角度，与工作内存操作完成即表示指令执行完，但是什么时候工作内存会将结果刷新回主内存却不可预测。Java线程间的通信是通过共享内存的方式，线程A如果想通知其他所有线程（线程B，线程C）对于变量f的变化情况，需要满足两点：

1. 将变量回写到主内存中
2. 执行引擎读取时强制从主内存中加载
   在增加了增加了L1、L2 Cache之后，CPU何时将变量从独享缓存刷新会共享内存，独享缓存是否从共享内存加载变量，时间上都是不可确定的，这就造成了缓存不一致的问题。

可见性的语义是线程对变量更新操作后，其他线程是可以获知变量的变更情况。
工作内存和主内存关系

原子性

原子操作是一个或多个不可中断的操作，要么一次性完全执行完毕，要么就不执行，最终状态不存在有些操作执行完，有些操作没有执行，在外部看来是不可分割的整体（比如化学中的原子，当然原子也是可以再分割的，不过站在分子层面，原子是最小的不可分割的），原子操作关注的是不被线程调度器中断的操作。

原子性操作是不会出现线程交替执行的情况，如果出现线程交替，则说明操作被线程调度器中断。在Java内存模型中，原子性保证你获取的变量要么是初始值，要么是被某一个线程写入的值，而不会是有多个线程同一时间写入而产生的混乱结果，long或double类型除外（因为变量的前32位可能由一个线程写入，后32位由另一个不同的线程写入），不过加上volatile修饰后的long 和double也具有原子性。

注意：volatile关注可见性，而与原子性没有关系。volatile关注点在于从工作内存刷新回主内存，而原子操作关注的是否不被打断。原子和同步目的都是让不同线程可以安全地访问共享变量的两种处理方式，避免造成内存一致性错误。

我是葛一凡，希望对你有帮助。

参考

1. 聊聊并发（一）深入分析Volatile的实现原理
2. 聊聊并发（五）——原子操作的实现原理
3. Java Language Specification
4. Java Volatile 关键字详解
5. 从缓存行出发理解volatile变量、伪共享False sharing、disruptor
6. Java并发编程：volatile关键字解析
7. Java 编程要点之并发（Concurrency）详解
8. Java 并发编程(1): Java 内存模型(JMM)