并发学习(一) volatile关键字

volatile

前言

在多线程并发编程中synchronized和Volatile都扮演着重要的角色,Volatile是轻量级的synchronized,它在多处理器开发中保证了共享变量的“可见性”。可见性的意思是当一个线程修改一个共享变量时,另外一个线程能读到这个修改的值。它在某些情况下比synchronized的开销更小,本文将深入分析在硬件层面上Intel处理器是如何实现Volatile的,通过深入分析能帮助我们正确的使用Volatile变量。

术语解释

术语 英文单词 描述
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 operations 不可中断的一个或一系列操作。
共享变量 缓在多个线程之间能够被共享的变量被称为共享变量。共享变量包括所有的实例变量,静态变量和数组元素。他们都被存放在堆内存中,Volatile只作用于共享变量。

volatile官方定义

Java语言规范第三版中对volatile的定义如下: java编程语言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单独获得这个变量。Java语言提供了volatile,在某些情况下比锁更加方便。如果一个字段被声明成volatile,java线程内存模型确保所有线程看到这个变量的值是一致的。

Volatile的实现原理

如果对声明了Volatile变量进行写操作,JVM就会向处理器发送一条Lock前缀的指令,将这个变量所在缓存行的数据写回到系统内存。但是就算写回到内存,如果其他处理器缓存的值还是旧的,再执行计算操作就会有问题,所以在多处理器下,为了保证各个处理器的缓存是一致的,就会实现缓存一致性协议,每个处理器通过嗅探在总线上传播的数据来检查自己缓存的值是不是过期了,当处理器发现自己缓存行对应的内存地址被修改,就会将当前处理器的缓存行设置成无效状态,当处理器要对这个数据进行修改操作的时候,会强制重新从系统内存里把数据读到处理器缓存里。

总结起来就是Lock指令将缓存行数据写回内存,并且使其他处理器的缓存无效,当处理器对数据修改,则强制从内存读回缓存里。

volatile的内存语义

  • 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值刷新到主内存
  • 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。

对于编译器,JMM的编译器重排序规则会禁止特定类型的编译器重排序。以下是针对编译器制定的重排序规则:

  • 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。
  • 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。
  • 当第一个操作是volatile写,第二个操作是volatile读时,都不能重排序。

对于处理器,JMM的处理器重排序规则会要求编译器在生成字节码时,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。以下是基于保守策略的JVM内存屏障插入策略:

  • 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。

参考资料