Java中的volatile关键字实现原理深度解析

  在Java语言规范中对volatile的定义如下：Java编程语言中允许线程访问共享变量，为了确保共享变量能被准确和一致的更新，线程应该确保通过排他锁来确保单独获取这个变量。Java还提提供了volatile关键字，在某些情况下比锁更加方便。
  volatile关键字可以说是java虚拟机中提供的最轻量级的同步机制，但它并不是锁。因此，在使用时，只有真正明白它的特性、原理才能正确的使用volatile。

0 与volatile实现相关的CPU术语

术语	英文单词	术语描述
内存屏障	memory barriers	是一组处理器指令，用于实现对内存操作的顺序限制
缓冲行	cache line	缓存中可以分配的最小存储单位。处理器填写缓存线时会加载整个缓存线，需要使用多个主内存读周期
原子操作	atomic operation	不可中断的一个或一系列操作
缓存行填充	cache line fill	当处理器识别到从内存中读取操作数时可缓存的，处理器读取真哥哥缓存行到适当的缓存（L1，L2，L3或所有）
缓存命中	cache hit	如果进行高速缓存行填充操作的内存位置仍然是下次处理器访问的地址时，处理器从缓存中读取操作数，而不是从内存读取
写命中	write hit	当处理器将操作数写回到一个内存缓存的区域时，它首先回检查这个缓存的内存地址是否在缓存行中，如果存在一个有效的缓存行，则处理器将这个操作数写回到缓存，而不是内存，这个操作称为写命中
写缺失	write miss the cache	一个有效的缓存行被写入到不存在的内存区域

1 volatile 的特性

1. 可见性：保证了不同线程对这个变量进行操作时的可见性，即一个线程修改了某个变量的值，这新值对其他线程来说是立即可见的。
2. 有序性：禁止进行指令重排序。
3. 原子性：对任意单个volatile变量的读/写具有原子性，但类似于volatile++这种复合操作不具有原子性。

2 volatile 的内存语义

  从内存语义的角度来说，volatile的写-读与锁的释放-获取有相同的内存效果。
volatile 写的内存语义
  当写一个 volatile 变量时，JMM 会把该线程对应的本地内存中的共享变量刷新到主内存。
volatile 读的内存语义
  当读一个 volatile 变量时，JMM 会把该线程对应的本地内存置为无效。线程接下来将从主内存中读取共享变量。
总结：
  线程A写一个volatile变量，实质上是线程A向接下来将要读这个volatile变量的某个线程发出了（其对共享变量所做修改的）消息。
  线程B读一个volatile变量，实质上是线程B接收了之前某个线程发出的（在写这个volatile变量之前对共享变量所做修改的）消息。
  线程A写一个volatile变量，随后线程B读这个volatile变量，这个过程实质上是线程A通过主内存向线程B发送消息。

3 可见性的实现

  可见性是指当一条线程修改了某个volatile变量的值，新值对于其它线程来说是可以立即知道的。在 Java 中 volatile、synchronized 和 final 可以实现可见性。普通变量无法做到这点。可见性详细描述为：

1. 线程对变量进行修改之后，要立刻回写到主内存。
2. 线程对变量读取的时候，要从主内存中读，而不是从线程的工作内存。

  volatile 变量的内存可见性是基于内存屏障（Memory Barrier）实现。 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 前缀的指令在多核处理器下会引发两件事情：

1. Lock前缀指令会引起处理器缓存回写到内存中。

1. 以前的Lock指令在信号期间处理器会独占共享内存（这样会导致总线开销很大）
2. 现在的存储器Lock#信号一般不会锁总线而是锁内存。毕竟总线开销比较大。缓存锁定。保证了缓存一致性机制会阻止同时修改两个以上处理器缓存的内存区域数据。

2. 一个处理器的缓存回写到内存的操作会使在其他处理器里缓存了该内存地址的数据无效。

1. IA-32处理器和Inel64处理器使用的MESI(修改，独占，共享，无效)，控制协议维护内部缓存和其他的处理器缓存的一致性。
2. 处理器用嗅探技术保证它的的内部缓存，系统内存和其他处理器的缓存的数据在总线上保持一致。

  通过 hsdis 和 jitwatch 工具可以得到编译后的汇编代码，可以发现其内部 的lock指令，这里就不演示了。

3 有序性的实现

3.1 volatile变量的happens-before 关系

  happens-before 规则中有一条是 volatile 变量规则：对一个 volatile 域的写，happens-before 于任意后续对这个 volatile 域的读。

//假设线程A执行writer方法，线程B执行reader方法
class VolatileExample {
    int a = 0;
    volatile boolean flag = false;
    
    public void writer() {
        a = 1;              // 1 线程A修改共享变量
        flag = true;        // 2 线程A写volatile变量
    } 
    
    public void reader() {
        if (flag) {         // 3 线程B读同一个volatile变量
        int i = a;          // 4 线程B读共享变量
        ……
        }
    }
}

  根据 happens-before 规则，上面过程会建立 3 类 happens-before 关系。

1. 根据程序次序规则：1 happens-before 2 且 3 happens-before 4。
2. 根据 volatile 规则：2 happens-before 3。
3. 根据 happens-before 的传递性规则：1 happens-before 4。
   
     因为以上规则，当线程 A 将 volatile 变量 flag 更改为 true 后，线程 B 能够迅速感知。

3.2 volatile 禁止重排序

3.2.1 volatile 重排序规则表

  重排序分为编译器重排序和处理器重排序。为了实现volatile内存语义，JMM会分别限制这两种类型的重排序类型。Java编译器会在生成指令系列时在适当的位置会插入内存屏障指令来禁止特定类型的处理器重排序。指令重排序时不能把后面的指令重排序到内存屏障之前的位置。
  JMM 针对编译器制定 volatile 重排序规则表：

第一个操作	第二个操作：普通读写	第二个操作：volatile读	第二个操作：volatile写
普通读写	可以重排	可以重排	不可以重排
volatile读	不可以重排	不可以重排	不可以重排
volatile写	可以重排	不可以重排	不可以重排

  从表我们可以看出：

1. 当第二个操作是volatile写时，不管第一个操作是什么，都不能重排序。这个规则确保volatile写之前的操作不会被编译器重排序到volatile写之后。
2. 当第一个操作是volatile读时，不管第二个操作是什么，都不能重排序。这个规则确保volatile读之后的操作不会被编译器重排序到volatile读之前。
3. 当第一个操作是volatile写，第二个操作是volatile读时，不能重排序。

3.2.2 编译器的实现

  为了实现volatile的内存语义，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处理器重排序。对于编译器来说，发现一个最优布置来最小化插入屏障的总数几乎是不可能的，为此，JMM 采取了保守的策略。volatile 写是在前面和后面分别插入内存屏障，而 volatile 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。该屏障除了保证了屏障之前的写操作和该屏障之后的写操作不能重排序，还会保证了 volatile 写操作之前，任何的读写操作都会先于 volatile 被提交。
2. 在每个 volatile 写操作的后面插入一个 StoreLoad 屏障。该屏障除了使 volatile 写操作不会与之后的读操作重排序外，还会刷新处理器缓存，使 volatile 变量的写更新对其他线程可见。
3. 在每个 volatile 读操作的后面插入一个 LoadLoad 屏障。该屏障除了使 volatile 读操作不会与之前的写操作发生重排序外，还会刷新处理器缓存，使 volatile 变量读取的为最新值。
4. 在每个 volatile 读操作的后面插入一个 LoadStore 屏障。该屏障除了禁止了 volatile 读操作与其之后的任何写操作进行重排序，还会刷新处理器缓存，使其他线程 volatile 变量的写更新对 volatile 读操作的线程可见。

下面是保守策略下，volatile写插入内存屏障后生成的指令序列示意图，如图所示：

  图中的StoreStore屏障可以保证在volatile写之前，其前面的所有普通写操作已经对任意处理器可见了。这是因为StoreStore屏障将保障上面所有的普通写在volatile写之前刷新到主内存。
  这里比较有意思的是，volatile写后面的StoreLoad屏障。**此屏障的作用是避免volatile写与后面可能有的volatile读/写操作重排序。**因为编译器常常无法准确判断在一个volatile写的后面是否需要插入一个StoreLoad屏障（比如，一个volatile写之后方法立即return）。为了保证能正确实现volatile的内存语义，JMM在采取了保守策略：在每个volatile写的后面，或者在每个volatile读的前面插入一个StoreLoad屏障。
  从整体执行效率的角度考虑，JMM最终选择了在每个volatile写的后面插入一个StoreLoad屏障。因为volatile写-读内存语义的常见使用模式是：一个写线程写volatile变量，多个读线程读同一个volatile变量。当读线程的数量大大超过写线程时，选择在volatile写之后插入StoreLoad屏障将带来可观的执行效率的提升。从这里可以看到JMM在实现上的一个特点：首先确保正确性，然后再去追求执行效率。
  下面是在保守策略下，volatile读插入内存屏障后生成的指令序列示意图，如图所示：

  图中的LoadLoad屏障用来禁止处理器把上面的volatile读与下面的普通读重排序。LoadStore屏障用来禁止处理器把上面的volatile读与下面的普通写重排序。

3.2.3 屏障优化

  上述volatile写和volatile读的内存屏障插入策略非常保守。在实际执行时，只要不改变volatile写-读的内存语义，编译器可以根据具体情况省略不必要的屏障。如下代码：

class VolatileBarrierExample {
int a;
volatile int v1 = 1;
volatile int v2 = 2;
void readAndWrite() {
int i = v1;　　 // 第一个volatile读
int j = v2; 　 // 第二个volatile读
a = i + j; // 普通写
v1 = i + 1; 　 // 第一个volatile写
v2 = j * 2; 　 // 第二个 volatile写
}
…　　　　　　 // 其他方法
}

针对readAndWrite()方法，编译器在生成字节码时可以做如下的优化：

  注意，最后的StoreLoad屏障不能省略。因为第二个volatile写之后，方法立即return。此时编译器可能无法准确断定后面是否会有volatile读或写，为了安全起见，编译器通常会在这里插入一个StoreLoad屏障。

4 不能保证复合操作的原子性

  由于volatile对所有线程立即可见，对volatile的写操作会立即反应到其它线程，因此基于volatile的变量的运算在并发下是安全的吗？这是错误的，原因是volatile所谓的其它线程立即知道，是其它线程在使用的时候会读内存然后load到自己工作内存，如果这时候其它线程进行了修改，本线程的volatile变量状态会被置为无效，会重新读取，但如果本线程的变量已经被读入执行栈帧，那么是不会重新读取的；那么两个线程都把本地工作内存内容写入主存的时候就会发生覆盖问题，导致并发错误。
  虽然volatile其要求对变量的（read、load、use）、（assign、store、write）必须是连续出现，即以组的形式出现，但是这两组操作还是分开的。比如说，两个线程同时完成了第一组操作（read、load、use），但是还没进行第二组操作（assign、store、write），此时是没错的，然后两个线程开始第二组操作，这样最终其中一个线程的操作会被覆盖掉，导致数据的不准确。
  案例： 定义static volatile int race = 0，2 个线程同时执行 race ++ 操作，每个线程都执行 500 次，最终结果可能会小于 1000。原因是每个线程执行 race ++ 需要以下 3 个步骤：

线程从主内存读取最新的 race的值到执行引擎。
执行引擎把 race值加 1
线程工作内存把 race值保存到主内存

  有可能某一时刻 2 个线程在步骤 1 读取到的值都是 100，执行完步骤 2 得到的值都是 101，最后刷新了 2 次 101 保存到主内存。
  因为 happens-before 中的 volatile 变量规则只规定了 对一个变量的写操作 happens-before 后面对这个变量的读操作。所以中间的过程（从 Load 到 Store）是不安全的。中间如果其他的 CPU 修改了值将会丢失。例如执行到步骤 2 时，线程B 对变量 i 进行了修改，但是线程 A 是不会感知的。只有线程 A 在下一次读取时，由于可见性才会感知到被线程 B 修改后的新值。
使用javap -v反编译race++来查看更详细的步骤：

  上面的字节码指令虽然很底层，但是并不意味着这条指令就是原子性的，字节码指令在转换为汇编语言之后会被分解为更多的本地机器码，那样分析会更加精确，但此处用字节码分析就够了。
  上面的指令中，将“race++”分解成了4条指令：

1. getstatic指令用于把race变量的值取到操作栈顶，此时volatile可以关键字保证了race的值在此时是正确的，但是在执行iconst_1、iadd等指令的时候，其他线程可能已经把ace的值加大了，而在操作栈顶的值就变成了过期的数据（注意操作数栈保存的只是值）。
2. iconst_1 用于将 int 常量 1 推到操作数栈
3. iadd指令也只是将栈顶里面的两个把栈顶两个 int 型数值相加并将结果入栈
4. putstatic表示为类的静态域赋值,所赋的值,就是iadd指令计算出来的值，所以putstatic指令执行的时候就可能把较小的、旧的race值同步回主内存之中。

  关于更多字节码指令的知识，可以看这篇文章：Java的JVM字节码指令集详解。
  从上面的字节码分析可知，由于volatile变量只能保证可见性、有序性，在不符合以下两条规则的运算场景中，仍然需要通过加锁保证原子性：

1. 运算结果并不依赖变量的当前值，或者能够确保只有单一的线程修改变量的值；
2. 变量不需要与其他的状态变量共同参与不变约束。

案例: 最终i的值可能不是10000

public class VolatileTest1 {
    public static volatile int i = 0;
    public static class VO implements Runnable {

        @Override
        public void run() {
            for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                i++;
            }
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for (int i1 = 0; i1 < 10; i1++) {
            Thread thread = new Thread(new VO());
            thread.start();
        }
        //保证前面的10条线程都执行完
        while (Thread.activeCount() > 2)
        {
            Thread.yield();
        }
        System.out.println(i);
    }
}

5 volatile与内存基本交互操作

  如果深入到内存的基本交互操作（关于内存的基本交互操作，可以看这篇文章：Java内存模型与happens-before原则详解），那么volatile与这些操作具有如下特殊规则：
  假定 T 表示一个线程，V 和 W 分别表示两个 volatile 型变量，那么在进行 read、load、use、assign、store 和 write 操作时需要满足如下规则：

1. 只有当线程 T 对变量 V 执行的前一个动作是 load 的时候，线程 T 才能对变量 V 执行 use 动作；并且，只有当线程 T 对变量 V 执行的后一个动作是 use 的时候，线程 T 才能对变量 V 执行 load 动作。线程 T 对变量 V 的 use 动作可以认为是和线程 T 对变量 V 的 load、read 动作相关联，必须连续一起出现（这套规则要求在工作内存中，每次使用 V 前都必须先从主内存刷新最新的值，用于保证能看见其他线程对变量 V 所做的修改后的值）。
2. 只有当线程 T 对变量的前一个动作是 assign 的时候，线程 T 才能对变量 V 执行 store 动作；并且，只有当线程 T 对变量 V 执行的后一个动作是 store 的时候，线程 T 才能对变量 V 执行 assign 动作。线程 T 对变量 V 的 assign 动作可以认为是和线程 T 对变量 V 的 store、write 动作相关联，必须连续一起出现（这条规则要求在工作内存中，每次修改 V 后都必须立刻同步回主内存中，用于保证其他线程可以看到自己对变量 V 所做的修改）。
3. 假定动作 A 是线程 T 对变量 V 实施的 use 或 assign 动作，假定动作 F 是和动作 A 相关联的 load 或 store 动作，假定动作 P 是和动作 F 相应的对变量 V 的 read 或 write 动作；类似的，假定动作 B 是线程 T 对变量 W 实施的 use 或 assign 动作，假定动作 G 是和动作 B 相关联的 load 或 store 动作，假定动作 Q 是和动作 G 相应的对变量 W 的 read 或 write 动作。如果 A 先于 B，那么 P 先于 Q（这条规则要求 volatile 修饰的变量不会被指令重排序优化，保证代码的执行顺序与程序的顺序相同）。

6 volatile的使用建议

  由于不能保证复合操作的原子性，在不符合以下两条规则的运算场景中，我们仍然要通过加锁来保证原子性：

1. 运算结果并不依赖变量的当前值或者能够确保只有单一的线程修改变量的值；因为如果依赖当前值，将是获取一计算一写入三步操作，这三步操作不是原子性的，而volatile 不保证原子性。
2. 变量不需要与其他的状态变量共同参与不变约束。例如基本运算操作，就不是原子性的。

  volatile具体的应用总结起来，就是：“一次写入，到处读取”，某一线程负责更新变量，其他线程只读取变量(不更新变量)，并根据变量的新值执行相应逻辑。
  例如：

1. 状态标志：布尔状态标志，用于指示发生了一个重要的一次性事件。
2. 单例模式：解决双重检查锁定（double-checked-locking）的问题。
3. 观察者模式标志位变量值的更改。

参考
《Java虚拟机规范》
《Java并发编程之美》
《Java并发编程的艺术》
《实战Java高并发程序设计》

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