java并发编程系列-volatile内存实现和原理
前面的博文说了java的内存模型,介绍了java内存模型的基础,此篇文章来说一下volatile关键字,这个在并发编程占有举足轻重地位的关键字。在java5.0 之前它是一个备受争议的关键字,5之后它重获新生。volatile关键字的作用是保证多线程中变量的可见性,是JUC包中的核心。
在内存模型基础中已经提到过,JVM是分为堆内存和栈内存的,堆内存在线程之间共享,而栈内存为线程内部私有,对其他线程不可见。为保证变量的可见性,可以使用volatile修饰,那为什么使用了关键字volatile修饰后,就能保证可见性,下面进行分析。
volatile 可以看作是一个轻量级的锁,这么说可能是不准确的,但它确实具备了锁的一些特性。与锁的区别是,锁保证原子性,锁住的可能是是个变量或者一段代码,而volatile修饰的变量只能保证变量在线程之间的传递,只能保证可见性,在一些方面并没有具备原子性。
所以上面的话有两层语义:
- 保证可见性,不保证原子性
- 禁止指令的重排序（重排序会破坏volatile的内存语义）
volatile变量的读写可以实现线程之间的通信。
volatile内存语义
- 写的内存语义： 当写一个volatile变量时,JMM会把线程对应的本地内存中的共享变量刷新到主内存。
- 读的内存语义： 当读一个volatile变量时，JMM会把线程对应的本地内存置为无效，线程接下来从主内存中读取共享变量。
写.png
初始时，两个线程的本地内存中的flag和a都是初始状态，线程A在写flag变量后，本地内存A中更新过的两个共享变量的值被刷新到主内存中，
volatile变量线程通信过程
在读flag变量后，本地内存中包含的值已经被置为无效，此时线程B必须从主内存中读取共享变量。
volatile内存语义实现
为了实现volatil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。JMM采用了保守策略，规则如下：
- 在每个volatile写操作的前面插入一个StoreStore屏障
- 在每个volatile写操作的后面插入一个StoreLoad屏障
- 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadLoad屏障
- 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadStore屏障
从汇编层看volatile关键字
记得曾经看过一篇文章，讲述的是volatile关键字修饰的变量，编程汇编代码后，会在变量的前面插入一条LOCK指令。
Java代码: instance = new Singleton();//instance是volatile变量
汇编代码: 0x01a3de1d: movb $0x0,0x1104800(%esi);0x01a3de24: lock addl $0x0,(%esp);
通过上面的代码发现，volatile修饰的变量会多出一个lock指令，LOCK指令属于系统层级： LOCK前缀会使处理器执行当前指令时产生一个LOCK#信号，显示的锁定总线。
来看一下LOCK指令的作用：
- 锁总线：其他cpu对内存的读写请求会被阻塞，直到锁释放，不过因为锁总线的的开销太大，后来采用锁缓存来代替锁总线
- lock后的写操作会回写已修改的数据，同时让其它cpu相关缓存行失效，从而重新从主存中加载最新的数据
- 不是内存屏障却完成类似内存屏障的功能，阻止屏障两边的执行重排序
总结
volatile是一种比锁更轻量级的线程之间通信的机制，volatile仅仅保证对单个volatile变量的读/写具有原子性，而锁的互斥执行的特性可以保证对整个临界区代码执行具有原子性，在功能上，锁比voatile更强大，在可伸缩性和执行性能上，volatile更有优势，但是volatile并不能代替锁。
应用场景
- 状态标记变量
- double check
参考：
java并发编程艺术
