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volatile与内存屏障

JAVA 西门飞冰 8100℃
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1.volatile 介绍

volatile是一个特征修饰符，被volatile修饰的变量能够保证每个线程能够获取该变量的最新值，从而避免出现数据脏读的现象

1.1.volatile的两大特性

1、可见性：立即刷新回主内存+失效处理。

2、有序性：禁止指令重排，存在数据依赖关系的禁止重排。

不保证原子性

1.2.volatile的内存语义

当写一个volatile变量时，JMM会把该线程对应的本地内存中的共享变量立即刷新回到主内存中。

当读一个volatile变量时，JMM会把该线程对应的工作内存设置为无效，直接从主内存中读取共享变量。

所以volatile的写内存语义是直接刷新到主内存中，读的内存语义是直接从主内存中读取。

一句话，volatile修饰的变量在某个工作内存修改后立刻会刷新会主内存，并把其他工作内存的该变量设置为无效。

2.内存屏障

volatile保证可见性和有序性就是靠的内存屏障实现的

内存屏障（也称内存栅栏，内存栅障，屏障指令等，是一类同步屏障指令，是CPU或编译器在对内存随机访问的操作中的一个同步点，使得此点之前的所有读写操作都执行后才可以开始执行此点之后的操作），避免代码重排序。内存屏障其实就是一种JVM指令，Java内存模型的重排规则会要求Java编译器在生成JVM指令时插入特定的内存屏障指令 ，通过这些内存屏障指令，volatile实现了Java内存模型中的可见性和有序性，但volatile无法保证原子性 。

内存屏障之前的所有写操作都要回写到主内存，内存屏障之后的所有读操作都能获得内存屏障之前的所有写操作的最新结果(实现了可见性)。

一句话：对一个 volatile 域的写, happens-before 于任意后续对这个 volatile 域的读，也叫写后读。

3.内存屏障分类

3.1.粗分两种

写屏障：在写指令之后插入写屏障，强制把写缓冲区的数据刷回到主内存中

读屏障：在读指令之前插入读屏障，让工作内存或CPU高速缓存当中的缓存数据失效，重新回到主内存中获取最新数据。

3.2.细分四种

屏障类型 指令示例 说明
LoadLoad（读读） Load1；LoadLoad；Load2 保证load1的读取操作在load2及后续读取操作之前执行
StoreStore（写写） Store1；LoadLoad；Store2 在store2及其后的写操作执行前，保证store1的写操作已刷新到主内存
LoadStore（读写） Load1；LoadLoad；Store2 在store2及其后的写操作执行前，保证load1的读操作已读取结束
StoreLoad（写读） Store1；LoadLoad；Load2 保证store1的写操作已刷新到主内存之后，load2及其后的读操作才能执行

4.volatile变量规则

image-20230202170603272

当第一个操作为volatile读时，不论第二个操作是什么，都不能重排序。这个操作保证了volatile读之后的操作不会被重排到volatile读之前。

当第二个操作为volatile写时，不论第一个操作是什么，都不能重排序。这个操作保证了volatile写之前的操作不会被重排到volatile写之后。

当第一个操作为volatile写时，第二个操作为volatile读时，不能重排。

5.内存屏障插入策略

5.1.读屏障

  • 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadLoad屏障，禁止处理器把上面的volatile读与下面的普通读重排序
  • 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadStore屏障，禁止处理器把上面的volatile读与下面的普通写重排序

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5.2.写屏障

  • 在每个volatile写操作的前面插入一个StoreStore屏障，可以保证在volatile写之前，其前面的所有普通写操作都已经刷新到主内存中
  • 在每个volatile写操作的后面插入一个StoreLoad屏障，作用是避免volatile写与后面可能有的volatile读/写操作重排序

image-20230204100748335

6.volatile之可见性

说明：保证不同线程对某个变量完成操作后结果及时可见，即该共享变量一旦改变所有线程立即可见。

代码案例：

不加volatile，没有可见性，程序无法停止

加了volatile，保证可见性，程序可以停止

public class VolatileSeeDemo
{
//    static  boolean flag = true;       //不加volatile，没有可见性
    static volatile boolean flag = true;       //加了volatile，保证可见性

    public static void main(String[] args)
    {
        new Thread(() -> {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t come in");
            while (flag)//默认flag是true,如果未被修改就一直循环，下面那句话也打不出来
            {

            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t flag被修改为false,退出.....");
        },"t1").start();

        //暂停几秒
        try { TimeUnit.SECONDS.sleep(2); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }

        flag = false;

        System.out.println("main线程修改完成");
    }
}

代码执行结果：

//没有volatile时
//t1   come in
//main线程修改完成
//--------程序一直在跑（在循环里）

//有volatile时
//t1   come in
//main线程修改完成
//t1   flag被修改为false,退出.....

代码原理解释：

线程t1中为何看不到被主线程main修改为false的flag的值？

问题可能:

1、主线程修改了flag之后没有将其刷新到主内存，所以t1线程看不到。

2、主线程将flag刷新到了主内存，但是t1一直读取的是自己工作内存中flag的值，没有去主内存中更新获取flag最新的值。

我们的诉求：

1、线程中修改了工作内存中的副本之后，立即将其刷新到主内存；

2、工作内存中每次读取共享变量时，都去主内存中重新读取，然后拷贝到工作内存。

解决：

使用volatile修饰共享变量，就可以达到上面的效果，被volatile修改的变量有以下特点：

1、线程中读取的时候，每次读取都会去主内存中读取共享变量最新的值 ，然后将其复制到工作内存

2、线程中修改了工作内存中变量的副本，修改之后会立即刷新到主内存

volatile变量的读写过程：

一个变量如何从主内存拷贝到工作内存、如何从工作内存同步到主内存之间的实现细节，Java内存模型定义了以下八种操作来完成

read(读取)→load(加载)→use(使用)→assign(赋值)→store(存储)→write(写入)→lock(锁定)→unlock(解锁)

read: 作用于主内存，将变量的值从主内存传输到工作内存，主内存到工作内存

load: 作用于工作内存，将read从主内存传输的变量值放入工作内存变量副本中，即数据加载

use: 作用于工作内存，将工作内存变量副本的值传递给执行引擎，每当JVM遇到需要该变量的字节码指令时会执行该操作

assign: 作用于工作内存，将从执行引擎接收到的值赋值给工作内存变量，每当JVM遇到一个给变量赋值字节码指令时会执行该操作

store: 作用于工作内存，将赋值完毕的工作变量的值写回给主内存

write: 作用于主内存，将store传输过来的变量值赋值给主内存中的变量

由于上述6条只能保证单条指令的原子性，只要不是多线程高并发顺序执行就不会出问题，但是一旦是高并发有多条指令来抢，这个时候不加锁，程序一定是死翘翘，所以，JVM提供了另外两个原子指令：

lock: 作用于主内存，将一个变量标记为一个线程独占的状态，只是写时候加锁，就只是锁了写变量的过程。

unlock: 作用于主内存，把一个处于锁定状态的变量释放，然后才能被其他线程占用

完整的闭环流程图如下：

image-20221123164104662

一个更清晰简单的图：

image-20230204141337762

7.volatile之无原子性

volatile变量的复合操作不具有原子性，比如number++

代码案例：

我们进行十次循环，每次创建1个线程进行1000次的number++操作，分别使用volatile和synchronized修饰，进行验证

class MyNumber{
    // volatile修饰
    volatile int number;
    public  void addPlusPlus(){
        number++;
    }
    // synchronized修饰
//    int number = 0;
//    public synchronized void addPlusPlus()//加上synchronized
//    {
//        number++;
//    }
}
public class VolatileNoAtomicDemo {

    public static void main(String[] args) {
        MyNumber myNumber = new MyNumber();

        for (int i = 1; i <=10; i++){ new Thread(() -> {
                for (int j = 1; j<=1000; j++){
                    myNumber.addPlusPlus();
                }
            },String.valueOf(i)).start();
        }

        //暂停几秒钟线程
        try { TimeUnit.SECONDS.sleep(3); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t" + myNumber.number);

    }
}

执行结果：可以看到通过volatile进行修饰的属性在大部分情况下都无法获得正确的结果，所以可以通过实际案例获得，volatile不具备原子性。

//-------------volatile情况下
//main  9907
//-----------synchronized请款下
//main  10000

读取赋值一个普通变量的情况：

代码验证完成以后回到理论部分，看一下volatile为什么不具备原子性

读取一个普通的变量，就算它被volatile修饰，它的读取规则如下所示：

不加锁就没有办法保证原子性

当线程1对主内存对象发起read操作到write操作第一套流程的时间里，线程2随时都有可能对这个主内存对象发起第二套操作

各忙各的

从底层来说，i++或者number++（在执行引擎操作时）其实是分了三步的：数据加载 、数据计算 、数据赋值 。而这三步非原子操作 。

image-20230204150351995

对于volatile变量具备可见性 ，JVM只是保证从主内存加载到线程工作内存的值是最新的，也仅是数据加载时是最新的。但是多线程环境下，“数据计算”和“数据赋值”操作可能多次出现，数据在加载之后，若主内存volatile修饰变量发生修改之后，线程工作内存中的操作将会作废去读主内存最新值，操作出现写丢失问题。即各线程私有内存和主内存公共内存中变量不同步 ，进而导致数据不一致。由此可见volatile解决的是变量读取时的可见性问题，但无法保证原子性，对于多线程修改主内存共享变量的场景必须使用加锁同步。

比如说你在计算的时候，别的线程已经提交了，所以你的计算直接失效了

结论：

volatile不适合参与到依赖当前值的运算，如i=i+1，i++之类的

那么依靠可见性的特点volatile可以用在哪些地方呢？通常volatile用作保存某个状态的boolean值或or int值。 （一旦布尔值被改变迅速被看到，就可以做其他操作）

《深入理解Java虚拟机》中提到，由于volatile变量只能保证可见性，在不符合以下两条规则的运算场景中，我们仍然要通过加锁（使用synchronized、java.util.concurrent中的锁或原子类）来保证原子性：

  • 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
  • 变量不需要与其他的状态变量共同参与不变约束

8.volatile之禁重排

通过禁止重排来保证程序的有序性，对于我们的代码到机器码执行，中间要经过操作系统、编译器、内存等不同环节的优化和排序，也就是我们实际写的顺序和编译器最终执行的顺序是可能不一样的，甚至会带来执行效果上的出入，为了避免这种重排序导致程序结果出现问题的情况，所以我们有时候会通过volatile来实现指令禁止重排。

什么是重排序：重排序是指编译器和处理器为了优化程序性能而对指令序列进行重新排序的一种手段，有时候会改变程序语句的先后顺序

  • 不存在数据依赖关系，可以重排序；
  • 存在数据依赖关系 ，禁止重排序

但重排后的指令绝对不能改变原有的串行语义！这点在并发设计中必须要重点考虑！

重排序的分类和执行流程：

image-20230204150712287

编译器优化的重排序： 编译器在不改变单线程串行语义的前提下，可以重新调整指令的执行顺序

指令级并行的重排序： 处理器使用指令级并行技术来将多条指令重叠执行，若不存在数据依赖性，处理器可以改变语句对应机器指令的执行顺序

内存系统的重排序： 由于处理器使用缓存和读/写缓冲区，这使得加载和存储操作看上去可能是乱序执行

数据依赖性 ：若两个操作访问同一变量，且这两个操作中有一个为写操作，此时两操作间就存在数据依赖性。

案例

不存在数据依赖关系，可以重排序 ===> 重排序OK 。

重排前 重排后
int a =1; // 1

int b = 20; // 2

int c = a+ b; // 3

int b = 20; // 1

int a =1; // 2

int c = a+ b; // 3

结论：编译器调整了语句的顺序，但是不影响程序的最终结果。 重排序OK

存在数据依赖关系，禁止重排序===> 重排序发生，会导致程序运行结果不同。

编译器和处理器在重排序时，会遵守数据依赖性，不会改变存在依赖关系的两个操作的执行,但不同处理器和不同线程之间的数据性不会被编译器和处理器考虑，其只会作用于单处理器和单线程环境，下面三种情况，只要重排序两个操作的执行顺序，程序的执行结果就会被改变。

名称 代码示例 说明
写后读 a = 1;

b = a;

 写一个变量之后，再读这个位置
写后写 a = 1;

a = 2;

 写一个变量之后，再写这个变量
读后写 a = b;

b = 1;

 读一个变量之后，再写这个变量

9.volatile之日常使用场景

1、单一赋值可以（最佳人选），但是含有复合运算赋值不可以（比如i++）

volatile单一赋值绝绝子：因为我们知道只有被volatile修饰的禁重排+可见性，保证了属性修改的及时有效性，尤其是flag这样的操作，假设在高并发里面，程序要是靠变量来通知其他线程来改变，后续动作尽量把它定义为volatile，这样非常的高效

下面这两个单一赋值可以的：

volatile int a = 10;

volatile boolean flag = false

2、状态标志，判断业务是否结束

使用：作为一个布尔状态标志，用于指示发生了一个重要的一次性事件，例如完成初始化或任务结束

理由：状态标志并不依赖于程序内任何其他状态，且通常只有一种状态转换

例子：判断业务是否结束

public class UseVolatileDemo
{
    private volatile static boolean flag = true;

    public static void main(String[] args)
    {
        new Thread(() -> {
            while(flag) {
                //do something......循环
            }
        },"t1").start();

        //暂停几秒钟线程
        try { TimeUnit.SECONDS.sleep(2L); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }

        new Thread(() -> {
            flag = false;
        },"t2").start();
    }
}

3、开销较低的读，写锁策略

当读远多于写，最土的方法就是加两个synchronized，但是读用volatile，写用synchronized可以提高性能

public class UseVolatileDemo
{
    //
   // 使用：当读远多于写，结合使用内部锁和 volatile 变量来减少同步的开销
   // 理由：利用volatile保证读取操作的可见性；利用synchronized保证复合操作的原子性
     
    public class Counter
    {
        private volatile int value;

        public int getValue()
        {
            return value;   //利用volatile保证读取操作的可见性
              }
        public synchronized int increment()
        {
            return value++; //利用synchronized保证复合操作的原子性
               }
    }
}

4、DCL双端锁的发布

我们在写单例模式DoubleCheckLock双端锁发布的情况下，这个volatile用的是非常多的。我们要写一个高并发下的单例模式，传统的懒汉和饿汉可能会心有余而力不足，所以我们会写这样一个版本。

public class SafeDoubleCheckSingleton
{
    private static SafeDoubleCheckSingleton singleton; //-----这里没加volatile
    //私有化构造方法
    private SafeDoubleCheckSingleton(){
    }
    //双重锁设计
    public static SafeDoubleCheckSingleton getInstance(){
        if (singleton == null){
            //1.多线程并发创建对象时，会通过加锁保证只有一个线程能创建对象
            synchronized (SafeDoubleCheckSingleton.class){
                if (singleton == null){
                    //隐患：多线程环境下，由于重排序，该对象可能还未完成初始化就被其他线程读取
                    singleton = new SafeDoubleCheckSingleton();
                    //实例化分为三步
                    //1.分配对象的内存空间
                    //2.初始化对象
                    //3.设置对象指向分配的内存地址
                }
            }
        }
        //2.对象创建完毕，执行getInstance()将不需要获取锁，直接返回创建对象
        return singleton;
    }
}

单线程情况下：

单线程环境下(或者说正常情况下)，在”问题代码处”，会执行如下操作，保证能获取到已完成初始化的实例

//三步
memory = allocate(); //1.分配对象的内存空间
ctorInstance(memory); //2.初始化对象
instance = memory; //3.设置对象指向分配的内存地址

多线程情况下（由于指令重排序）：

隐患：多线程环境下，在”问题代码处”，会执行如下操作，由于重排序导致2,3乱序，后果就是其他线程得到的是null而不是完成初始化的对象 。（没初始化完的就是null）

正常情况：

//三步
memory = allocate(); //1.分配对象的内存空间
ctorInstance(memory); //2.初始化对象
instance = memory; //3.设置对象指向分配的内存地址
```*

   非正常情况

```java
//三步
memory = allocate(); //1.分配对象的内存空间
instance = memory; //3.设置对象指向分配的内存地址---这里指令重排了，但是对象还没有初始化
ctorInstance(memory); //2.初始化对象

解决：

加volatile修饰

public class SafeDoubleCheckSingleton
{
    //通过volatile声明，实现线程安全的延迟初始化。
    private volatile static SafeDoubleCheckSingleton singleton;
    //私有化构造方法
    private SafeDoubleCheckSingleton(){
    }
    //双重锁设计
    public static SafeDoubleCheckSingleton getInstance(){
        if (singleton == null){
            //1.多线程并发创建对象时，会通过加锁保证只有一个线程能创建对象
            synchronized (SafeDoubleCheckSingleton.class){
                if (singleton == null){
                    //隐患：多线程环境下，由于重排序，该对象可能还未完成初始化就被其他线程读取
                                      //原理:利用volatile，禁止 "初始化对象"(2) 和 "设置singleton指向内存空间"(3) 的重排序
                    singleton = new SafeDoubleCheckSingleton();
                }
            }
        }
        //2.对象创建完毕，执行getInstance()将不需要获取锁，直接返回创建对象
        return singleton;
    }
}

实例化singleton分多步执行（分配内存空间、初始化对象、将对象指向分配的内存空间），某些编译器为了性能原因，会将第二步和第三步进行重排序（分配内存空间、将对象指向分配的内存空间、初始化对象）。这样，某个线程可能会获得一个未完全初始化的实例。

10.volatile总结

1、volatile保证可见性

2、volatile没有原子性

3、volatile禁重排（通过内存屏障的写指令和读指令实现）

4、内存屏障是一种屏障指令，它使得CPU或编译器对屏障指令的前和后所发出的内存操作执行一个排序的约束。也叫内存栅栏或栅栏指令

5、内存屏障能干嘛？

（1）阻止屏障两边的指令重排序

（2）写数据时假如屏障，强制将线程私有工作内存的数据刷回主物理内存

（3）读数据时加入屏障，线程私有工作内存的数据失效，重新到主物理内存中获取最新数据

6、内存屏障的四大指令

  • 在每一个volatile写操作前面插入一个StoreStore屏障
  • 在每一个volatile写操作后面插入一个StoreLoad屏障
  • 在每一个volatile读操作后面插入一个LoadLoad屏障
  • 在每一个volatile读操作后面插入一个Load Store屏障

三句话总结：

volatile写之前的的操作，都禁止重排到volatile之后

volatile读之后的操作，都禁止重排到volatile之前

volatile写之后volatile读，禁止重排序

 

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