volatile总结

原地址 volatile底层原理详解 - 知乎 (zhihu.com)

一、volatile的作用

并发编程中有3大重要特性，了解一下：

• 原子性

一个操作或者多个操作，要么全部执行成功，要么全部执行失败。满足原子性的操作，中途不可被中断。

• 可见性

多个线程共同访问共享变量时，某个线程修改了此变量，其他线程能立即看到修改后的值。

• 有序性

程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。（由于JMM模型中允许编译器和处理器为了效率，进行指令重排序的优化。指令重排序在单线程内表现为串行语义，在多线程中会表现为无序。那么多线程并发编程中，就要考虑如何在多线程环境下可以允许部分指令重排，又要保证有序性）

synchronized关键字同时保证上述三种特性。

• synchronized是同步锁，同步块内的代码相当于同一时刻单线程执行，故不存在原子性和指令重排序的问题
• synchronized关键字的语义JMM有两个规定，保证其实现内存可见性：
• 线程解锁前，必须把共享变量的最新值刷新到主内存中；
• 线程加锁前，将清空工作内存中共享变量的值，从主内存中冲洗取值。

volatile关键字作用的是保证可见性和有序性，并不保证原子性。

那么，volatile是如何保证可见性和有序性的？我们先进行基于JMM层面的实现基础，后面两章会进行底层原理的介绍。

1.1、volatile变量的可见性

Java虚拟机规范中定义了一种Java内存 模型（Java Memory Model，即JMM）来屏蔽掉各种硬件和操作系统的内存访问差异，以实现让Java程序在各种平台下都能达到一致的并发效果。Java内存模型的主要目标就是定义程序中各个变量的访问规则，即在虚拟机中将变量存储到内存和从内存中取出变量这样的细节。

JMM中规定所有的变量都存储在主内存（Main Memory）中，每条线程都有自己的工作内存（Work Memory），线程的工作内存中保存了该线程所使用的变量的从主内存中拷贝的副本。线程对于变量的读、写都必须在工作内存中进行，而不能直接读、写主内存中的变量。同时，本线程的工作内存的变量也无法被其他线程直接访问，必须通过主内存完成。

整体内存模型如下图所示：

 

对于普通共享变量，线程A将变量修改后，体现在此线程的工作内存。在尚未同步到主内存时，若线程B使用此变量，从主内存中获取到的是修改前的值，便发生了共享变量值的不一致，也就是出现了线程的可见性问题。

volatile定义：

• 当对volatile变量执行写操作后，JMM会把工作内存中的最新变量值强制刷新到主内存
• 写操作会导致其他线程中的缓存无效

这样，其他线程使用缓存时，发现本地工作内存中此变量无效，便从主内存中获取，这样获取到的变量便是最新的值，实现了线程的可见性。

1.2、volatile变量的禁止指令重排序

volatile是通过编译器在生成字节码时，在指令序列中添加“内存屏障”来禁止指令重排序的。

硬件层面的“内存屏障”：

• sfence：即写屏障(Store Barrier)，在写指令之后插入写屏障，能让写入缓存的最新数据写回到主内存，以保证写入的数据立刻对其他线程可见
• lfence：即读屏障(Load Barrier)，在读指令前插入读屏障，可以让高速缓存中的数据失效，重新从主内存加载数据，以保证读取的是最新的数据。
• mfence：即全能屏障(modify/mix Barrier )，兼具sfence和lfence的功能
• lock 前缀：lock不是内存屏障，而是一种锁。执行时会锁住内存子系统来确保执行顺序，甚至跨多个CPU。

JMM层面的“内存屏障”：

• 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。

JVM的实现会在volatile读写前后均加上内存屏障，在一定程度上保证有序性。如下所示：

LoadLoadBarrier
volatile 读操作
LoadStoreBarrier

StoreStoreBarrier
volatile 写操作
StoreLoadBarrier