8.volatile 关键字

8. volatile

8.0 为什么存在内存可见性问题 -> 缓存一致性问题

可见性是指某线程修改了一个变量的值，新值对于其他线程是立即可见的。

为了提高代码执行速度，CPU 先把资源从内存加载到 CPU 缓存中（L1， L2等），但操作完并并不一定实时写回内存。此外，每条线程有自己的工作内存 Working Memory，用于保存被该线程所使用的变量的主内存的副本，线程对变量的所有操作都在工作内存中进行，不能直接读写主内存中的数据。

volatile 关键字能解决这个问题。

8.1 volatile 功能

1. 保证变量的内存可见性
   • 当某个线程对 volatile 变量进行写操作时，JMM 会立即把该线程对应的本地内存刷新到主内存中。
   • 当某个线程对 volatile 变量进行读操作时，JMM 会立即把该线程的本地内存置为无效，并从主内存中重新读取。
2. 禁止 volatile 变量与 普通变量 的指令重排
   • 禁止指令重排是为了实现一种类似锁的线程间通信机制，但比锁更轻量级

虽然 volatile 保证了内存可见，但 java 中的运算操作符不能保证原子性，同样会导致并发的不安全。需要额外使用锁来保证原子性。

8.1.1 如何限制指令重排

通过内存屏障来限制指令重排：

• 内存屏障分为 读屏障 Load Barrier 和 写屏障 Store Barrier；
• 阻止屏障两侧的指令重排序；
• 写后强制把写缓冲区/高速缓存中的脏数据写回主内存，读时先让缓存中数据失效

JMM 内存屏障：

• 在每个 volatile 写操作前插入一个 StoreStore 屏障；
• 在每个 volatile 写操作后插入一个 StoreLoad 屏障；
• 在每个 volatile 读操作后插入一个 LoadLoad 屏障；
• 在每个 volatile 读操作后再插入一个 LoadStore 屏障。

具体：

• 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。
• 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，这个屏障会吧Store1强制刷新到内存，保证Store1的写入操作对其它处理器可见。
• 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。
• 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。它的开销是四种屏障中最大的（冲刷写缓冲器，清空无效化队列）。在大多数处理器的实现中，这个屏障是个万能屏障，兼具其它三种内存屏障的功能

8.1.2 volatile 与 锁 的区别

volatile 和 锁 都能保证内存可见性，因此 volatile 可以作为一个轻量级的锁。

• 但volatile 仅能保证单个变量的读写具有原子性，锁可以保证整个临界区代码的原子性
• 锁的功能更强大，但 volatile 的性能更有优势

8.2 volatile 实现原理

从字节码的角度来看，对 volatile 变量进行写操作时，在赋值后，JVM 会多执行一行带有 lock 前缀的指令，该指令会把 CPU 缓存中的新值写回内存。

// lock + 空操作 来执行缓存回写
0x01a3de24: lock addl $0x0, (%esp)

同时，缓存一致性协议保证了各个处理器的缓存是一致且最新的。

1. lock 前缀的指令会引起处理器缓存写回内存；
2. 一个处理器的缓存回写到内存会导致其他处理器的缓存失效；
3. 当处理器发现自己的本地缓存失效后，就会从主内存中重读最新值。