java volatile 底层原理

本文详细解析了Java中volatile关键字的工作原理及其在多线程环境下的作用。包括如何保证变量的可见性和禁止指令重排序,以及其背后的内存屏障机制。

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引言

  1. 在java语言中 被volatile 修饰的变量 可以保证在对线程场景下的可见性,
  2. 防止处理器进行指令重排 指令重排在多线程环境下会出现可见性问题

即 有 线程 A B,均可访问 volatile 变量x
当线程A对 x进行修改后, B线程再次访问变量x 便可以取到 x的最新值
非 volatile 变量不能保证这一点。

可见性原理

Volatile变量修饰符如果使用恰当的话,它比synchronized的使用和执行成本会更低,因为它不会引起线程上下文的切换和调度。

有volatile变量修饰的共享变量进行写操作的时候会使用 lock 汇编代码,lock 前缀的指令在多核处理器下会引发了两件事情。

  1. 将当前处理器缓存行的数据会写回到系统内存。
  2. 这个写回内存的操作会引起在其他CPU里缓存了该内存地址的数据无效。(其他CPU 通过缓存嗅探来使缓存失效)

防止重排原理

  1. 在每个volatile写操作前插入StoreStore屏障,在写操作后插入StoreLoad屏障
  2. 在每个volatile读操作前插入LoadLoad屏障,在读操作后插入LoadStore屏障;

java内存屏障

  • java的内存屏障通常所谓的四种即LoadLoad,StoreStore,LoadStore,StoreLoad实际上也是上述两种的组合,完成一系列的屏障和数据同步功能。
  • 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,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。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

引用

https://www.jianshu.com/p/2ab5e3d7e510
https://www.cnblogs.com/chenssy/p/6379280.html

Java 中的 volatile 关键字可以保证多线程之间对变量的可见性和有序性,但是它并不能保证原子性。下面是 volatile 底层实现原理: 1. 可见性:当一个变量被 volatile 修饰时,每次修改变量的值时,Java 内存模型都会强制将该变量的值刷新到主内存中,而每次读取该变量时,都会从主内存中读取最新的值。这样就可以保证多个线程之间对变量的修改是可见的。 2. 有序性:volatile 关键字还可以保证变量的读写操作是按照一定的顺序进行的。即当一个线程写入变量时,其它线程在读取该变量之前,必须先从主内存中读取该变量的最新值,而不是使用自己线程的缓存值。这样可以避免出现类似于指令重排的问题。 在底层实现上,volatile 关键字会在变量的读写操作前后插入内存屏障(Memory Barrier)指令,以保证变量的可见性和有序性。 内存屏障分为三种类型: 1. Load Barrier:插入在读操作前面,用于防止读操作重排到内存屏障之后。 2. Store Barrier:插入在写操作后面,用于防止写操作重排到内存屏障之前。 3. Full Barrier:插入在读操作前面和写操作后面,用于防止读操作和写操作重排到内存屏障之后和之前。 在 Java 中,volatile 关键字会在变量的读操作前插入 Load Barrier,而在变量的写操作后插入 Store Barrier。 需要注意的是,虽然 volatile 关键字可以保证多线程之间对变量的可见性和有序性,但是它并不能保证变量的原子性。如果需要保证变量的原子性,可以使用 synchronized 关键字或者 atomic 类来实现。
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