淺談Java并發(fā)編程系列（三）—— volatile型變量

zxhaaa 發(fā)布于2019-08-14 15:50 / 971人閱讀

摘要：禁止指令重排序優(yōu)化。只有當(dāng)線(xiàn)程對(duì)變量執(zhí)行的前一個(gè)動(dòng)作是時(shí)，才能對(duì)執(zhí)行動(dòng)作并且，只有當(dāng)對(duì)變量執(zhí)行的后一個(gè)動(dòng)作是時(shí)，線(xiàn)程才能對(duì)變量執(zhí)行動(dòng)作。變量不需要與其他的狀態(tài)變量共同參與不變約束。在某些情況下，的同步機(jī)制性要優(yōu)于鎖。

當(dāng)一個(gè)變量定義為volatile之后，它具備兩種特性：

保證此變量對(duì)所有線(xiàn)程的可見(jiàn)性，這里的“可見(jiàn)性”是指當(dāng)一條線(xiàn)程修改了這個(gè)變量的值，新值對(duì)于其他線(xiàn)程來(lái)說(shuō)是可以立即得知的。

禁止指令重排序優(yōu)化。

在X86處理器下通過(guò)工具獲取 JIT編譯器生成的匯編指令來(lái)看下volatile變量進(jìn)行讀寫(xiě)操作時(shí)CPU的行為：
Java 代碼如下：

// volatile Object instance;
instance = new Singleton();

生成的匯編代碼如下：

0x01a3de1d: movb $0X0, 0X1104800(%esi); 0X01a3de24: lock addl $0X0, (%esp);

有volatile變量修飾的共享變量進(jìn)行寫(xiě)操作的時(shí)候會(huì)多出第二行匯編代碼，Lock前綴的指令在多核處理器下會(huì)引發(fā)了兩件事件。

將當(dāng)前處理器緩存的數(shù)據(jù)寫(xiě)回到系統(tǒng)內(nèi)存。

這個(gè)寫(xiě)回內(nèi)存的操作會(huì)使在其他CPU里緩存了該內(nèi)存地址的數(shù)據(jù)無(wú)效。

再讓我們從Java內(nèi)存模型的角度分析下volatile變量。假定T表示一個(gè)線(xiàn)程，V和W分別表示兩個(gè)volatile變量，那么在進(jìn)行read, load, use, assign, store和write時(shí)需要滿(mǎn)足以下三條規(guī)則：

只有當(dāng)線(xiàn)程T對(duì)變量V執(zhí)行的前一個(gè)動(dòng)作是load時(shí)，T才能對(duì)V執(zhí)行use; 并且，只有當(dāng)T對(duì)V執(zhí)行的后一個(gè)動(dòng)作是use時(shí)，T才能對(duì)V執(zhí)行l(wèi)oad。T對(duì)V的use動(dòng)作可以認(rèn)為是和線(xiàn)程T對(duì)V的load，read動(dòng)作相關(guān)聯(lián)，必須連續(xù)一起出現(xiàn)（這條規(guī)則要求 在工作內(nèi)存中，每次使用V前都必須先從主內(nèi)存刷新最新的值，用于保證能看見(jiàn)其他線(xiàn)程對(duì)變量V所做的修改后的值）。

只有當(dāng)線(xiàn)程T對(duì)變量V執(zhí)行的前一個(gè)動(dòng)作是assign時(shí)，T才能對(duì)V執(zhí)行store動(dòng)作；并且，只有當(dāng)T對(duì)變量V執(zhí)行的后一個(gè)動(dòng)作是store時(shí)，線(xiàn)程T才能對(duì)變量V執(zhí)行assign動(dòng)作。線(xiàn)程T對(duì)變量V的assign動(dòng)作可認(rèn)為是和線(xiàn)程T對(duì)變量V的store, write動(dòng)作相關(guān)聯(lián)，必須連續(xù)一起出現(xiàn)（這條規(guī)則要求 在工作內(nèi)存中，每次修改V后都必須立刻同步回主內(nèi)存中，用于保證其他線(xiàn)程可以看到自己對(duì)變量V所做的修改）。

假定動(dòng)作A是線(xiàn)程T對(duì)變量V實(shí)施的use或assign操作，假定動(dòng)作F是和動(dòng)作A相關(guān)聯(lián)的load或store動(dòng)作，假定動(dòng)作P是和動(dòng)作F相應(yīng)的變量V的read或write動(dòng)作；類(lèi)似的，假定動(dòng)作B是線(xiàn)程T對(duì)變量W實(shí)施的use或assign動(dòng)作，假定動(dòng)作G是和動(dòng)作B相關(guān)聯(lián)的load或store動(dòng)作，假定動(dòng)作Q是和動(dòng)作G相應(yīng)的變量W的read或write動(dòng)作。如果A先于B，那P先于Q（這條規(guī)則要求 volatile修飾的變量不會(huì)被指令重排序優(yōu)化，保證代碼的執(zhí)行順序與程序的順序相同）。

由于volatile變量只能保證可見(jiàn)性，在不符合以下兩條規(guī)則的運(yùn)算場(chǎng)景中，仍然要通過(guò)加鎖（使用synchronized或java.util.concurrent中的原子類(lèi)）來(lái)保證原子性：

運(yùn)行結(jié)果并不依賴(lài)變量的當(dāng)前值，或者能夠確保只有單一的線(xiàn)程修改變量的值。

變量不需要與其他的狀態(tài)變量共同參與不變約束。

在某些情況下，volatile的同步機(jī)制性要優(yōu)于鎖。并且，volatile變量讀操作的性能消耗與普通變量幾乎沒(méi)有什么差別，但是寫(xiě)操作則可能會(huì)慢一些，因?yàn)樗枰诒镜卮a中插入許多內(nèi)存屏障指令來(lái)保證處理器不發(fā)生亂序執(zhí)行。

參考：
深入分析Volatile的實(shí)現(xiàn)原理