Volatile语义的一些探讨

最新推荐文章于 2023-07-16 12:16:38 发布

yeziwang9

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分类专栏： Concurrency 文章标签： thread

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本文深入探讨了Java内存模型(JMM)中volatile关键字的两大核心特性：可见性和禁止CPU指令重排序。通过对具体示例的分析，解释了如何利用volatile确保变量在多线程环境下的正确同步。

好吧，这里我只想说说volatile在JMM中的语义。

当我们在使用volatile的时候，实际上它表达了下面那么些意思。

1. 可见性。

这个是大多数人都知道的一个特质， JAVA的线程有自己的工作内存区，与主存区不同，当我们对变量使用了volatile后，那么不管对这个变量的读或写，都会在主存中进行，而不会在处理器的缓存或者寄存器中进行。这个很好理解。

2. 禁止CPU指令的重排序

这个特质的理解稍微要花点脑细胞，首先我们需要一点premilinary, 当我们的程序编写好了以后，会被翻译成指令集并被加载到内存中去运行。但是，在CPU真正执行的时候，处于性能方面的考虑，这些指令的执行不一定会按照程序中的顺序进行，只要保证其程序执行语义没有变化即可。

来看下代码，

class VolatileExample {
  int x = 0;
  volatile boolean v = false;

  //in thread A
  public void writer() {
    x = 42;
    v = true;
  }

  //in thread B
  public void reader() {
    if (v == true) {
      //uses x - can we see x is 42?
    }
  }
}

在这种情况下，当thread A 执行完后，在thread B中能看到x等于42吗？（变量v肯定可以看到，根据可见性可以推断出来）好吧，在旧的JMM模型下，答案是不一定。原因就是CPU指令在执行时的重排序。在旧的JMM模型下，只规定了volatile变量和volatile变量之间不能进行重排序，但是并没有保证volatile变量和non-volatile变量之间不能进行重排序，所以，当在thread A中，指令的执行可能是：

v = true;
x = 42;

这样，当thread B 看到v为true的时候，x实际上还没有执行，所以值不是42.

慢！眼尖的同学可能看出来了，你说的这个跟重排序实际上没有关系呀，这个应该算是变量x的可见性问题，因为变量x不是声明为volatile的。

好吧，我承认我偷懒了，在描述volatile变量可见性特质的时候，在新的JMM模型下，当对volatile变量进行写的时候，该线程（这里是thread A）所能看到变量（比如说变量x），都会一起刷新到主存中。这个也就是为什么我们会说对volatile变量的写操作，实际上等价于使用了synchronized关键字后释放monitor时产生的效果。在这个前提下，上面的问题的确是CPU指令重排序的问题。

但是幸运的是，JMM随后提出了happen-before原则来fix了这个问题（主要是volitale变量和non-volatile变量之间的重排序问题。）

这里我只挑跟这个问题相关的三条原则来进行讲解，其余的可以到官方文档去查看。

1. 单线程原则，在单线程执行的环境下，指令的执行是跟程序代码的执行顺序一致。对于上面的例子来说，在程序代码顺序上，x=42 先于 v=true，那么在内存指令执行的时候也是如此。

2. volatile变量原则，对volatile变量的写操作要优先于对volatile变量的读操作。

3. 转递性原则，如果A操作先于B操作，B操作先于C操作，那么A操作肯定先于C操作。

还是上面的例子，先用单线程原则，可以判断出，在thread A的执行中， x=42肯定要优先于v=true进行执行，而在thread B的执行中，对v的读取操作肯定要优先于对x的使用操作。

接着再使用volatile变量原则，可以判断，对v的写肯定要先于对v的读，最后再根据转递性原则，可以推出在thread A中x=42的赋值操作肯定要先于thread B中对x的使用，也就是说，当v读取出来是为true的时候，x肯定是42. 指令不会进行重排序。

那如果我们将x=42,v=true的语句倒过来呢？

class VolatileExample {
  int x = 0;
  volatile boolean v = false;
  public void writer() {
    //颠倒赋值给x，v的顺序。
    v = true;
    x = 42;
  }

  public void reader() {
    if (v == true) {
      //uses x - can we see x is 42 here?
    }
  }
}

我想通过上面的分析，各位同学自己应该也能推断出来了吧。：）