java的volatile关键字和它的底层实现

java

Notes

发布日期: 2021-02-05

1. volatile关键字的用法

在java中，我们可以用volatile修饰实例变量或类变量（但不能是final的，也不能是局部变量）。

public class Hello {
    private volatile int v1;   // OK
    private static volatile int v2; // OK
    private final volatile int v3;  // error: illegal combination of modifiers: final and volatile

    public void test() {
        volatile int v4 = 5; // error: illegal start of expression
    }

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Over");
    }
}

2. volatile的作用

volatile主要作用有两个，可见性 和 有序性，还有一个额外的作用，保证单个变量的读写操作原子性。

2.1. 可见性

什么是可见性？
在多核CPU环境下，并发执行的线程之间，共享主存，共享变量保存在主存，一个线程修改了共享变量，其他线程可以读到修改后的共享变量的值。
这里共享变量包含类的实例变量，类的静态变量。
为什么有可见性问题？
现代的CPU处理速度比内存读写速度快很多，然后为了提供计算机处理速度，在CPU和内存之间添加了高速缓存（例如：一级缓存、二级缓存、三级缓存等）。
多核CPU中每个处理器都有自己的缓存，然后共享主存。这样就会有缓存一致性问题，缓存中的值跟主存中的值可能不一致，这也就是可见性问题。

cpu-cache

怎么保证的可见性？
通过lock前缀指令，这个指令会做两件事：
a. 将当前CPU缓存行的数据写回主存
b. 写回主存的操作使得其他CPU缓存了该内存地址的数据无效【这里用到了MESI缓存一致性协议】

2.2. 有序性

什么是有序性问题？
CPU在执行java的代码时，最底层的指令经过了编译器，处理器以及内存系统优化后，它的顺序发生了变化，以加快指令的执行。
这种优化在单线程下，没有问题。但是在多线程环境下，可能会造成空指针，数据异常等情况。
举例说明有序性问题
单例的一种写法是通过synchronized同步块，加上两次null检查来实现，这时候需要对静态变量加上volatile修饰，原因是new对象有三步操作：
a. 申请内存空间
b. 调用构造函数
c. 返回内存地址赋值给引用变量
处理器可能对这三步执行顺序做优化，比如申请内存地址后，直接返回内存地址赋值给引用，最后再调用构造函数进行初始化，这样其他的线程可能拿到了未初始化的单例对象。

// 单例对象的double check写法
public class Singleton {
    private static volatile Singleton instance;

    private Singleton() {}

    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized(Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

怎么解决的？
对volatile变量的读写操作前后插入内存屏障来解决。

3. volatile的底层实现

3.1. Java内存模型 (JMM)

针对主存，CPU缓存，Java语言规范提出语言级别的内存模型 (JMM)，它能屏蔽不同的编译器和不同处理器平台的差异，通过插入内存屏障指令，
禁止编译器重排序和处理器重排序，为程序员提供一致的内存可见性保证。

jmm-fig

3.2. 内存屏障 — java语言角度

内存屏障的两个作用
a) 在有内存屏障的地方，会禁止指令重排序，也就是屏障下面的代码不能跟屏障上面的代码交换执行顺序
b) 在有内存屏障的地方，线程修改完共享变量后，会马上将该变量从本地内存写会主存，并且让其他线程的本地内存中该变量副本失效。
它与Lock前缀指令的关系？
Lock前缀指令不是一种内存屏障，但是它能完成类似内存屏障的功能。Lock前缀指令会对CPU总线和高速缓存加锁，可以理解为CPU指令级别的一种锁。
内存屏障不一定就是用Lock前缀指令来实现的，也可以用其他指令（例如：fences）来实现。