介紹下volatile的底層原理

介紹

線程安全的三大特性，原子性、可見性、有序性，這三大特性與我們之前整理的內(nèi)容息息相關(guān)。本篇重點介紹下volatile的底層原理，幫助我們更好的理解java并發(fā)包。

一、原子性

提供了互斥訪問，同一時刻只能有一個線程來對它進(jìn)行操作。

1. 原子性-synchronizes

2. 原子性-lock

• lock屬于jdk提供的代碼層面上的鎖，后面單獨總結(jié)。

3. 原子性-cas

4. 原子性-對比

• synchronized：不可中斷鎖（在作用范圍內(nèi)必須等待執(zhí)行完），適合競爭不激烈。
• Lock：可中斷鎖（unlock），競爭激烈時能保持性能常態(tài)。
• Atomic：競爭激烈時能保持性能常態(tài)，比Lock性能好，只能同步一個值。

二、可見性

可見性指的是一個線程對主內(nèi)存的修改，可以被其他線程及時的觀察到。導(dǎo)致共享變量在線程間不可見的原因：

• 線程交叉執(zhí)行。
• 重排序結(jié)合線程交叉執(zhí)行。
• 共享變量更新后的值沒有在工作內(nèi)存與主內(nèi)存間及時更新。

1. 可見性-synchronizes

JMM中關(guān)于synchronized的內(nèi)存語意：

• 進(jìn)入synchronized塊的內(nèi)存語義是把synchronized塊內(nèi)使用到的變量從線程的工作內(nèi)存中清除，這樣synchronized塊內(nèi)使用到該變量就是直接從主內(nèi)存中獲取。
• 退出synchronized塊的內(nèi)存語義是把synchronized塊內(nèi)對共享變量的修改刷新到主內(nèi)存。

2. 可見性-volatile

通過加入內(nèi)存屏障和禁止重排序優(yōu)化來實現(xiàn)。

JMM中關(guān)于volatile的內(nèi)存語意：

• 當(dāng)線程寫入volatile變量值時就等價于線程退出synchronized同步塊（對volatile變量寫操作時，會在寫操作后加入一條store屏障指令，將本地內(nèi)存中的共享變量值刷新到主內(nèi)存）。
• 讀取volatile變量值時就相當(dāng)于進(jìn)入到同步塊（對volatile變量讀操作，會在讀操作前加入一條load屏障指令，從主內(nèi)存中讀取共享變量）。

當(dāng)一個變量被聲明為volatile時，線程在寫入變量時不會把值緩存在寄存器中，而是會把值刷新回主內(nèi)存。當(dāng)其他線程讀取該共享變量時，會從主內(nèi)存重新獲取最新值。

下面看一個volatile內(nèi)存可見性的例子：

public class VolatileCanSeeTest {


    private static volatile boolean initFlag = false;


    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        new Thread(() - > {
            log.info("init begin");
            while(!initFlag) {
            }


            // if(!initFlag) {while(true){}} // JIT
            log.info("===success===");
        }).start();


        Thread.sleep(1000);


        new Thread(() - > doSomething()).start();
    }


    public static void doSomething() {
        log.info("doSomething begin");
        initFlag = true;
        log.info("doSomething end");
    }
}

查看對應(yīng)的匯編代碼，可以看到使用volatile匯編指令會加上lock前綴指令：

• 【rsp】是寄存器的意思，在java內(nèi)存模型一節(jié)中我們介紹了工作內(nèi)存就是寄存器以及cpu告訴緩存等的一個抽象概念。
• 這里值得一提的是，重排序只是編譯器優(yōu)化的一種表現(xiàn)，上面這段代碼主要是編譯器優(yōu)化導(dǎo)致的。編譯器會認(rèn)為這段循環(huán)代碼在單線程運(yùn)行中，initFlag變量不會被改變，從而優(yōu)化為：

if(!initFlag) {
    while(true){
    }
}

這里結(jié)合java內(nèi)存模型對volatile底層原理進(jìn)行說明:

• 這里添加lock前綴指令的意思是當(dāng)cpu執(zhí)行引擎處理完共享變量的計算后，通過asign指令將共享變量回寫到工作內(nèi)存中后會立即將該共享變量通過store和write指令回寫到主內(nèi)存，并且給這兩個cpu指令加lock指令鎖。
• 同時，結(jié)合cpu緩存一致性協(xié)議，當(dāng)共享變量回寫主內(nèi)存時，經(jīng)過總線觸發(fā)MESI協(xié)議，另其他包含了該共享變量的緩存行置為無效狀態(tài)，所以其他線程需要從主內(nèi)存中重新加載該共享變量到自己的工作內(nèi)存，從而保證了共享變量的內(nèi)存可見性。同時，結(jié)合[cpu緩存一致性協(xié)議，當(dāng)共享變量回寫主內(nèi)存時，經(jīng)過總線觸發(fā)MESI協(xié)議，另其他包含了該共享變量的緩存行置為無效狀態(tài)，所以其他線程需要從主內(nèi)存中重新加載該共享變量到自己的工作內(nèi)存，從而保證了共享變量的內(nèi)存可見性。

3. 可見性-對比

• synchronized：保證可見性和原子性，但可能會導(dǎo)致線程上下文切換和增加重新調(diào)度的開銷。
• volatile：只能保證共享變量的可見性，不能解決讀-改-寫等的原子性問題。
• 關(guān)于共享內(nèi)存可見性以及JMM詳見：java內(nèi)存模型

三、有序性

一個線程觀察其他線程中的指令執(zhí)行順序，由于指令重排序的存在，該觀察結(jié)果一般雜亂無序。

1. 有序性-happens-before原則

java內(nèi)存模型中允許編譯器和處理器對指令進(jìn)行重排序，但是重排序過程不會影響到單線程程序的執(zhí)行，卻會影響到多線程并發(fā)執(zhí)行的正確性。可以通過volatile關(guān)鍵字來保證一定的有序性，可以通過synchronized、lock保證同一時刻線程順序執(zhí)行來保證有序性。另外，java內(nèi)存模型具備先天的有序性，稱為**happens-before **原則：

• 程序次序規(guī)則（保證單線程的有序性，不保證多線程的有序性）

  一個線程內(nèi)，按照代碼順序，書寫在前面的操作先行發(fā)生于書寫在后面的操作。

• 鎖定規(guī)則

  一個unlock操作先行發(fā)生于對后面同一個鎖的lock操作。

• volatile變量規(guī)則

  對一個變量的寫操作先行發(fā)生于后面對這個變量的讀操作。

• 傳遞規(guī)則

  如果操作A先行發(fā)生于操作B，而操作B又先行發(fā)生于操作C，則可以得出操作A先行發(fā)生于操作C。

• 線程啟動規(guī)則

  Thread對象的start()方法先行發(fā)生于此線程的每一個動作。

• 線程中斷規(guī)則

  對線程interrupt()方法的調(diào)用先行發(fā)生于被中斷線程的代碼檢測到中斷事件的發(fā)生。

• 線程終結(jié)規(guī)則

  線程中所有的操作都先行發(fā)生于線程的終止檢測，可以通過Thread.join()方法結(jié)束、Thread.isAlive()的返回值手段檢測到線程已經(jīng)終止執(zhí)行。

• 對象終結(jié)規(guī)則

  一個對象的初始化完成先行發(fā)生于他的finalize()方法的開始。

如果兩個操作的執(zhí)行順序無法從happens-before原則推導(dǎo)出來，那么就無法保證他們的有序性，虛擬機(jī)可以隨意的對他們重排序。

2. 有序性-synchronizes

首先，可以明確的一點是：synchronized是無法禁止指令重排和處理器優(yōu)化的。那么他是如何保證的有序性呢？

synchronized保證的有序性是多個線程之間的有序性，即被加鎖的內(nèi)容要按照順序被多個線程執(zhí)行。但是其內(nèi)部的同步代碼還是會發(fā)生重排序，只不過由于編譯器和處理器都遵循as-if-serial語義，所以我們可以認(rèn)為這些重排序在單線程內(nèi)部可忽略。

as-if-serial語義的意思指：不管怎么重排序，單線程程序的執(zhí)行結(jié)果都不能被改變。編譯器和處理器無論如何優(yōu)化，都必須遵守as-if-serial語義。簡單說就是，as-if-serial語義保證了單線程中，不管指令怎么重排，最終的執(zhí)行結(jié)果是不能被改變的。

3. 有序性-volatile

java內(nèi)存模型允許編譯器和處理器對指令重排序提高運(yùn)行性能，并且只會對不存在數(shù)據(jù)依賴性的指令重排序。例：

int a = 1;
int b = 2;
int c = a + b;

變量c的值依賴a和b的值，所以重排序后能保證c的操作在a，b之后，但是a，b誰先執(zhí)行就不一定，這在單線程下不存在問題。下面看一個多線程下指令重排序的例子：

public class VolatileSerialTest {


    private static int x = 0, y = 0;


    public static void main(String[] args) throws InterruptedException{
        Set< String > resultSet = new HashSet<  >();
        Map< String, Integer > resultMap = new HashMap<  >();


        for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
            x = 0;
            y = 0;
            resultMap.clear();
            Thread one = new Thread(() - > {
                int a = y;
                x = 1;
                resultMap.put("a", a);
            });


            Thread two = new Thread(() - > {
                int b = x;
                y = 1;
                resultMap.put("b", b);
            });


            one.start();
            two.start();
            one.join();
            two.join();


            resultSet.add("a=" + resultMap.get("a") + "," + "b=" + resultMap.get("b"));
            log.info("ab結(jié)果：{}", resultSet);
        }
    }
}

由于指令重排序?qū)е驴赡艹霈F(xiàn)的結(jié)果有：

volatile禁止指令重排序原理：

volatile通過加入內(nèi)存屏障禁止指令重排序。 編譯器會根據(jù)volatile/synchronized/final等的語義，在特定的位置插入內(nèi)存屏障。 當(dāng)遇到特定的內(nèi)存屏障指令時，處理器將禁止其對應(yīng)的重排序，保證屏障前面的操作可以被后面的操作可見。

4. 有序性-對比

• synchronized是一種鎖機(jī)制，存在阻塞問題和性能問題，而volatile并不是鎖，所以不存在阻塞和性能問題。
• volatile借助了內(nèi)存屏障來幫助其解決可見性和有序性問題，而內(nèi)存屏障的使用還為其帶來了一個禁止指令重排的附件功能，所以在有些場景中是可以避免發(fā)生指令重排的問題的。

結(jié)語

本文總結(jié)了線程安全的三大特性，同時文中幾乎涉及到了所以之前總結(jié)過的知識，在閱讀過程中可以參考之前的文章進(jìn)行理解。至此，我們對并發(fā)包基礎(chǔ)應(yīng)該有了完整的認(rèn)識。