Java并发编程之Volatile(二)

前言

在前面的文章Java并发编程之Java内存模型(一)中,我们已经了解了Java的内存模型，了解了其可见性问题及指令重排序及Happen-Before原则，现在我们来了解一下关键字volatile。在Java中volatile可以算是Java提供的轻量级同步实现机制，但是在平时开发中，我们更多的是使用synchronized来进行同步。对于volatile，大家总是不能正确的且完整的理解。所以下面，我就和大家一起来了解一下volatile。

volatile的作用

线程的可见性

当一个变量定义为volatile后，那么该变量对所有线程都是“可见的”，其中“可见的”是指当一条线程修改了这个变量的值，那么新值对于其他线程来说是可以立即知道的。可能大家还是不好的理解。如果你阅读过上篇文章Java并发编程之Java内存模型(一)，你应该很快的理解。不过没有大碍，通过下列图片大家应该很快的了解。

我们已经知道在Java内存模型中，内存分为了线程的工作内存及主内存。在上图中，线程A与线程B分别从主内存中获取变量a(用volatile修饰)到自己的工作内存中，也就是现在线程A与线程B中工作内存中的a现在的变量为12，当线程A修改a的值为8时，会将修改后的值（a=8)同步到主内存中，同时那么会导致线程B中的缓存a变量的值（a=12)无效，会让线程B重新重主内存中获取新的值(a=8)。

volatile可见性的原理

在上篇文章Java并发编程之Java内存模型(一)中我们曾经讲过，物理计算机为了处理缓存不一致的问题。提出了缓存一致性的协议，其中缓存一致性的核心思想是：当CPU写数据时，如果发现操作的变量是共享变量，即在其他CPU中也存在该变量的副本，会发出信号通知其他CPU将该变量的缓存行置为无效状态，因此当其他CPU需要读取这个变量时，发现自己缓存中缓存该变量的缓存行是无效的，那么它就会从内存重新读取。

既然volatile修饰的变量能具有“可见性”，那么volatile内部肯定是走的底层，同时也肯定满足缓存一致性原则。因为涉及到底层汇编，这里我们不要去了解汇编语言，我们只要知道当用volatile修饰变量时，生成的汇编指令会比普通的变量声明会多一个Lock指令。那么Lock指令会在多核处理器下会做两件事情。

将当前处理器缓存行的数据直接写会到系统内存中（从Java内存模型来理解，就是将线程中的工作内存的数据直接写入到主内存中）
这个写回内存的操作会使在其他CPU里缓存了该地址的数据无效（从Java内存模型理解，当线程A将工作内存的数据修改后（新值），同步到主内存中，那么线程B从主内存中初始的值（旧值）就无效了）

防止重排序

同样的在上篇文章Java并发编程之Java内存模型(一)中，我们提到了为了提高CPU(处理器)的处理数据的速度，CPU(处理器)会对没有数据依赖性的指令进行重排序，但是CPU(处理器)的重排序会对多线程带来问题。具体问题我们用下列伪代码来阐述：

public class Demo {
    private int a = 0;
    private boolean isInit = false;
    private Config config;

    public void init() {
        config = readConfig();//1
        isInit = true;//2
    }
    public void doSomething() {
        if (isInit) {//3
            doSomethingWithconfig();//4
        }
    }
}

isInit用来标志是否已经初始化配置。其中1，2操作是没有数据依赖性，同理3、4操作也是没有数据依赖性的。那么CPU(处理器)可能对1、2操作进行重排序。对3、4操作进行重排序。现在我们加入线程A操作Init()方法，线程B操作doSomething()方法，那么我们看看重排序对多线程情况下的影响。

上图中2操作排在了1操作前面。当CPU时间片转到线程B。线程B判断 if (isInit)为true,接下来接着执行 doSomethingWithconfig(),但是我们Config还没有初始化。所以在多线程的情况下。重排序会影响程序的执行结果。所以为了防止重排序带来的问题。Java内存模型规定了使用volatile来修饰相应变量时，可以防止CPU(处理器)在处理指令的时候禁止重排序。具体如下图所示。

public class Demo {
    private int a = 0;
    private volatile boolean isInit = false;
    private Config config;
     public void init() {
        config = readConfig();//1
        isInit = true;//2
    }
    public void doSomething() {
        if (isInit) {//3
            doSomethingWithconfig();//4
        }
    }
}

volatile防止重排序规则

那么为了处理CPU重排序的问题。Java定义了以下规则防止CPU的重排序。

从上表我们可以看出

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voatile写之前的操作不会被编译器排序到volatile之后。
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。
当第一个操作是volatile写，第二个操作如果是volatile读或volatile写时，不能进行重排序。

volatile防止重排序原理

为了具体实现上诉我们提到的重排序规则，在Java中对于volatile修饰的变量，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问题。在了解内存屏障之前，我们先复习之前的主内存与工作内存交互的8种原子操作，因为内存屏障主要是对Java内存模型的几种原子操作进行限制的。具体内存8种原子操作，如下图所示：

上述8中原子操作中，我们所涉及的是store与load操作，如果需要了解剩余6种操作，请参看上篇文章Java并发编程之Java内存模型(一)。

这里对内存屏障所涉及到的两种操作进行解释：

load：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到工作内存变量副本中。
store：作用于工作内存的变量，它把工作内存中一个变量值传送到主内存中。以便随后的write操作。

内存屏障插入策略

下面是基于volatile修饰的变量，编译器在指令序列插入的内存屏障保守插入策略如下：

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。

volatile写内存屏障

storestore屏障：对于这样的语句store1; storestore; store2，在store2及后续写入操作执行前，保证store1的写入操作对其它处理器可见。(也就是说如果出现storestore屏障，那么store1指令一定会在store2之前执行，CPU不会store1与store2进行重排序)
storeload屏障：对于这样的语句store1; storeload; load2，在load2及后续所有读取操作执行前，保证store1的写入对所有处理器可见。(也就是说如果出现storeload屏障，那么store1指令一定会在load2之前执行,CPU不会对store1与load2进行重排序)

volatile读内存屏障

loadload屏障：对于这样的语句load1; loadload; load2，在load2及后续读取操作要读取的数据被访问前，保证load1要读取的数据被读取完毕。（也就是说，如果出现loadload屏障，那么load1指令一定会在load2之前执行，CPU不会对load1与load2进行重排序）
loadstore屏障：对于这样的语句load1; loadstore; store2，在store2及后续写入操作被刷出前，保证load1要读取的数据被读取完毕。（也就是说，如果出现loadstore屏障，那么load1指令一定会在store2之前执行，CPU不会对load1与store2进行重排序）

编译器内存屏障的优化

上面我们讲到了在插入内存屏障时，编译器如果采用保守策略的情况下，分别会在volatile写与volatile读插入不同的内存屏障，那现在我们来看一下，在实际开发中，编译器在使用内存屏障时的优化。

public class VolatileBarrierDemo {
    int a;
    volatile int v1 = 1;
    volatile int v2 = 2;

    public void readAndWrite() {
        int i = v1;//第一个volatile读
        int j = v2;//第二个volatile读
        a = i + j;//普通写
        v1 = i + 1;//第一个volatile写
        v2 = j * 2;//第二个volatile写
    }
}

那么针对上述代码，我们生成相应的屏障（图片在手机端观看可能会不太清除，建议在pc端上观看）

观察上图，我们发现，在编译器生成屏障时，省略了第一个volatile读下的loadstore屏障，省略了第二个volatile读下的loadload屏障，省略了第一个volatile写下的storeload屏障。结合上诉我们所讲的loadstore屏障、loadload屏障、storeload屏障下的语义，我们能得到省略以下屏障的原因。

省略第一个volatile读下的loadstore屏障：因为第一个volatile读下的下一个操作是第二个volatile的读，并不涉及到写的操作（也就是store)。所以可以省略。
省略第二个volatile读下的loadload屏障：因为第二个volatile读的下一个操作是普通写，并不涉及到读的操作（也就是load)。所以可以省略
省略第一个volatile写下的storeload屏障：因为第一个volatile写的下一个操作是第二个volatile的写，并不涉及到读的操作（也就是load)。所以可以省略。

其中大家要注意的是，优化结束后的storeload屏障时不能省略的，因为在第二个volatile写之后，方法理解return,此时编译器可能无法确定后面是否会有读写操作，为了安全起见，编译器通常会在这里加入一个storeload屏障。

处理器内存屏障的优化

上面我们讲了编译器在生成屏障的时候，会根据程序的逻辑操作省略不必要的内存屏障。但是由于不同的处理器有不同的“松耦度”的内存模型，内存屏障的优化根据不同的处理器有着不同的优化方式。以x86处理器为例。针对我们上面所描述的编译器内存屏障优化图。在x86处理器中，除最后的storeload屏障外，其他的屏障都会省略。

x86处理器与其他处理器的内存屏障的优化，这里不过的描述，有兴趣的小伙伴可以查阅相关资料继续研究。

volatile的使用注意事项

在volatile使用的时候，需要注意volatile只保证可见性，并不能保证原子性，这里所提到的原子性需要给大家补充一个知识点。

原子性定义

在Java中，对基本的数据类型的变量的访问和读写操作都是原子性操作，且这些操作在CPU中不可以在中途暂停然后再调度，既不被中断操作，要不执行完成，要不就不执行。

直接通过定义来理解确实比较困难，通过下面这个例子，让我们一起来了解。

1
2
3

x = 10;         //语句1
x++;           //语句2
x = x + 1;     //语句3

大家可以来猜一猜，以上3个语句有哪些是具有原子性呢。好了。我告诉答案吧，只有语句1具有原子性。大家对此会感到很疑惑。

对于语句1：是直接将数值10赋给x,也就是直接将数值10赋值到工作内存中。
对于语句2：先去读取x的值，然后计算x加上1后的值，最后将计算后的值赋值给x，
对于语句3：同语句2。

对于语句2，3因为涉及到多个操作，且在多线程的情况下，CPU可以进行时间片的切换操作（也就是可以暂停在某个操作后）。那么就可能出现线程安全的问题。

volatile为什么不具备原子性

描述了原子性后，相信大家都会有个疑问“volatile不具备原子性有什么关系呢？其实原因很简单，虽然volatile是具备可见性的（也就是指当一条线程修改了这个变量的值，那么新值对于其他线程来说是可以立即知道的），但是对于该变量有可能有多个操作例如上文提到的x++。那么在有多个操作的情况下，CPU任然可以先暂停然后在调度的。既然能被暂停后继续在调度，那么volatile肯定是不具备原子性的了。

volatile的使用场景

现在我们已经了解了volatile的相关特性，那么就来说说，volatile的具体使用场景，因为volatie变量只能保证可见性，并不能保证原子性，所以在轻量级线程同步中我们可以使用volatile关键字。但是有两个前提条件：

第一个条件：运算结果并不依赖变量的当前值，或者能够确保只有单一的线程修改变量的值。
第二个条件：变量不需要与其他的状态变量共同参与不变约束。

直接理解上述两个条件，可能会有点困难，下面分别对着两个前提条件进行解释：

针对第一个条件

volatile int a  = 0;
  //在多线程情况下错误，在单线程情况下正确的方式
  public void doSomeThingA() {
  //在单线程情况下，不会出现线程安全的问题，正确
  //在多线程情况下，a最终的值依赖于当前a的值，错误
       a++;
  }
  //正确的使用方式
  public void doSomeThingB() {
      //不管是在单线程还是多线程的情况下，都不会出现线程安全的问题
      if(a==0){
       a = 1;
      }
  }

在上述伪代码中，我们能明确的看出，只要volatile修饰的变量不涉及与运算结果的依赖，那么不管是在多线程，还是单线程的情况下，都是正确的。当然我这里只是将a变量定义成int，对于其他剩下的基础类型数据也是适用的。

针对第二个条件

其实理解第二个条件，大家可以反过来理解，即使用volatile的变量不能包含在其他变量的不变式中，下面伪代码将会通过反例说明：

    private volatile int lower;
    private volatile int upper;  
  
    public void setLower(int value) {
        if (value > upper)
            throw new IllegalArgumentException(...);  
        lower = value;  
    }  
  
    public void setUpper(int value) {
        if (value < lower)
            throw new IllegalArgumentException(...);  
        upper = value;  
    }  
}

在上述代码中，我们明显发现其中包含了一个不变式 —— 下界总是小于或等于上界（也就是lower<=upper)。那么在多线程的情况下，两个线程在同一时间使用不一致的值执行 setLower 和 setUpper 的话，则会使范围处于不一致的状态。例如，如果初始状态是(0, 5)，同一时间内，线程 A 调用setLower(4) 并且线程 B 调用setUpper(3)，显然这两个操作交叉存入的值是不符合条件的，那么两个线程都会通过用于保护不变式的检查，使得最后的范围值是(4, 3)。很显然这个结果是错误的。

总结

volatile具有可见性不具有原子性，同时能防止指令重排序。
volatile之所以具有可见性，是因为底层中的Lock指令，该指令会将当前处理器缓存行的数据直接写会到系统内存中，且这个写回内存的操作会使在其他CPU里缓存了该地址的数据无效。
volatile之所以能防止指令重排序，是因为Java编译器对于volatile修饰的变量，会插入内存屏障。内存屏障会防止CPU处理指令的时候重排序的问题