Java 中的 volatile 关键字

Java 中 volatile 关键字是一个类型修饰符。JDK 1.5 之后，对其语义进行了增强。

• 保证了不同线程对共享变量进行操作时的可见性，即一个线程修改了共享变量的值，共享变量修改后的值对其他线程立即可见
• 通过禁止编译器、CPU 指令重排序和部分 happens-before 规则，解决有序性问题

volatile 可见性的实现

• 在生成汇编代码指令时会在 volatile 修饰的共享变量进行写操作的时候会多出 Lock 前缀的指令
• Lock 前缀的指令会引起 CPU 缓存写回内存
• 一个 CPU 的缓存回写到内存会导致其他 CPU 缓存了该内存地址的数据无效
• volatile 变量通过缓存一致性协议保证每个线程获得最新值
• 缓存一致性协议保证每个 CPU 通过嗅探在总线上传播的数据来检查自己缓存的值是不是修改
• 当 CPU 发现自己缓存行对应的内存地址被修改，会将当前 CPU 的缓存行设置成无效状态，重新从内存中把数据读到 CPU 缓存

看一下我们之前的一个可见性问题的测试例子

package constxiong.concurrency.a014;

/**
 * 测试可见性问题
 * @author ConstXiong
 */
public class TestVisibility {

    //是否停止 变量
    private static boolean stop = false;
    
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //启动线程 1，当 stop 为 true，结束循环
        new Thread(() -> {
            System.out.println("线程 1 正在运行...");
            while (!stop) ;
            System.out.println("线程 1 终止");
        }).start();
        
        //休眠 10 毫秒
        Thread.sleep(10);
        
        //启动线程 2， 设置 stop = true
        new Thread(() -> {
            System.out.println("线程 2 正在运行...");
            stop = true;
            System.out.println("设置 stop 变量为 true.");
        }).start();
    }
    
}

程序会一直循环运行下去

这个就是因为 CPU 缓存导致的可见性导致的问题。

线程 2 设置 stop 变量为 true，线程 1 在 CPU 1上执行，读取的 CPU 1 缓存中的 stop 变量仍然为 false，线程 1 一直在循环执行。

示意如图：

给 stop 变量加上 valatile 关键字修饰就可以解决这个问题。

volatile 有序性的实现

• 3 个 happens-before 规则实现：

1) 对一个 volatile 变量的写 happens-before 任意后续对这个 volatile 变量的读

2) 在一个线程内，按照程序代码顺序，书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作

3) happens-before 传递性，A happens-before B，B happens-before C，则 A happens-before C

• 内存屏障(Memory Barrier 又称内存栅栏，是一个 CPU 指令)禁止重排序

1) 在程序运行时，为了提高执行性能，在不改变正确语义的前提下，编译器和 CPU 会对指令序列进行重排序。

2) Java 编译器会在生成指令时，为了保证在不同的编译器和 CPU 上有相同的结果，通过插入特定类型的内存屏障来禁止特定类型的指令重排序

3) 编译器根据具体的底层体系架构，将这些内存屏障替换成具体的 CPU 指令

4) 内存屏障会告诉编译器和 CPU：不管什么指令都不能和这条 Memory Barrier 指令重排序

内存屏障

• 为了实现 volatile 内存语义时，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 CPU 重排序。
• 对于编译器，内存屏障将限制它所能做的重排序优化；对于 CPU，内存屏障将会导致缓存的刷新操作
• volatile 变量的写操作，在变量的前面和后面分别插入内存屏障；volatile 变量的读操作是在后面插入两个内存屏障

1) 在每个 volatile 写操作的前面插入一个 StoreStore 屏障
2) 在每个 volatile 写操作的后面插入一个 StoreLoad 屏障
3) 在每个 volatile 读操作的后面插入一个 LoadLoad 屏障
4) 在每个 volatile 读操作的后面插入一个 LoadStore 屏障

• 屏障说明

1) StoreStore：禁止之前的普通写和之后的 volatile 写重排序；
2) StoreLoad：禁止之前的 volatile 写与之后的 volatile 读/写重排序
3) LoadLoad：禁止之后所有的普通读操作和之前的 volatile 读重排序
4) LoadStore：禁止之后所有的普通写操作和之前的 volatile 读重排序

我觉得，有序性最经典的例子就是 JDK 并发包中的显式锁 java.util.concurrent.locks.Lock 的实现类对有序性的保障。

以下摘自：Java锁是如何保证数据可见性的

实现 Lock 的代码思路简化为

private volatile int state;

void lock() {
    read state
    if (can get lock)
        write state
}

void unlock() {
    write state
}

• 假设线程 a 通过调用lock方法获取到锁，此时线程 b 也调用了 lock() 方法，因为 a 尚未释放锁，b 只能等待。
• a 在获取锁的过程中会先读 state，再写 state。
• 当 a 释放掉锁并唤醒 b，b 会尝试获取锁，也会先读 state，再写 state。

Happens-before 规则：一个 volatile 变量的写操作发生在这个 volatile 变量随后的读操作之前。

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