Java中volatile用来做什么？

Java中volatile用来干啥？Volatile是Java虚拟机提供的轻量级的同步机制（三大特性）：保证可见性不保证原子性禁止指令重排要理解三大特性，就必须知道Java内存模型（JMM），那JMM又是什么呢？JMM又是啥？...

summer_west_fish

1248人浏览 · 2021-10-27 09:48:46

summer_west_fish · 2021-10-27 09:48:46 发布

一、Java中volatile用来做什么？

Volatile是Java虚拟机提供的轻量级的同步机制（三大特性）：

保证可见性
不保证原子性
禁止指令重排

要理解三大特性，就必须知道Java内存模型（JMM），那JMM又是什么呢？

二、JMM又是什么？

为什么需要Java内存模型？

屏蔽各种硬件和操作系统的内存访问差异

JMM是Java内存模型，也就是Java Memory Model，简称JMM，本身是一种抽象的概念，实际上并不存在，它描述的是一组规则或规范，通过这组规范定义了程序中各个变量（包括实例字段，静态字段和构成数组对象的元素）的访问方式。

到底什么是Java内存模型？

定义程序中各种变量的访问规则
把变量值存储到内存的底层细节
从内存中取出变量值的底层细节

Java内存模型的两大内存是啥？

主内存
- Java堆中对象实例数据部分
- 对应于物理硬件的内存
工作内存
- Java栈中的部分区域
- 优先存储于寄存器和高速缓存

Java内存模型是怎么做的？

Java内存模型的几个规范：

1.所有变量存储在主内存
2.主内存是虚拟机内存的一部分
3.每条线程有自己的工作内存
4.线程的工作内存保存变量的主内存副本
5.线程对变量的操作必须在工作内存中进行
6.不同线程之间无法直接访问对方工作内存中的变量
7.线程间变量值的传递均需要通过主内存来完成

由于JVM运行程序的实体是线程，而每个线程创建时JVM都会为其创建一个工作内存（有些地方称为栈空间），工作内存是每个线程的私有数据区域，而Java内存模型中规定所有变量都存储在主内存，主内存是共享内存区域，所有线程都可以访问，但线程对变量的操作（读取赋值等）必须在工作内存中进行，首先要将变量从主内存拷贝到自己的工作内存空间，然后对变量进行操作，操作完成后再将变量写会主内存，不能直接操作主内存中的变量，各个线程中的工作内存中存储着主内存中的变量副本拷贝，因此不同的线程间无法访问对方的工作内存，线程间的通信（传值）必须通过主内存来完成，其简要访问过程：

Java内存模型的三大特性

可见性（当一个线程修改了共享变量的值时，其他线程能够立即得知这个修改）
原子性（一个操作或一系列操作是不可分割的，要么同时成功，要么同时失败）
有序性（变量赋值操作的顺序与程序代码中的执行顺序一致）

关于有序性：如果在本线程内观察，所有的操作都是有序的；如果在一个线程中观察另一个线程，所有的操作都是无序的。前半句是指“线程内似表现为串行的语义”（Within-Thread As-If-Serial Semantics），后半句是指“指令重排序”现象和“工作内存与主内存同步延迟”现象。

三、那为什么其他线程能感知到变量更新？

其实这里就是用到了“窥探（snooping）”协议。在说“窥探（snooping）”协议之前，首先谈谈缓存一致性的问题。

缓存一致性

当多个CPU持有的缓存都来自同一个主内存的拷贝，当有其他CPU偷偷改了这个主内存数据后，其他CPU并不知道，那拷贝的内存将会和主内存不一致，这就是缓存不一致。那我们如何来保证缓存一致呢？这里就需要操作系统来共同制定一个同步规则来保证，而这个规则就有MESI协议。

MESI

当CPU写数据时，如果发现操作的变量是共享变量，即在其它CPU中也存在该变量的副本，系统会发出信号通知其它CPU将该内存变量的缓存行设置为无效。

当其它CPU读取这个变量的时，发现自己缓存该变量的缓存行是无效的，那么它就会从内存中重新读取。

总线嗅探

那其他CPU是怎么知道要将缓存更新为失效的呢？这里是用到了总线嗅探技术。

每个CPU不断嗅探总线上传播的数据来检查自己缓存值是否过期了，如果处理器发现自己的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为无效状态，当处理器对这个数据进行修改操作的时候，会重新从内存中把数据读取到处理器缓存中。

总线风暴

总线嗅探技术有哪些缺点？

由于MESI缓存一致性协议，需要不断对主线进行内存嗅探，大量的交互会导致总线带宽达到峰值。因此不要滥用volatile，可以用锁来替代，看场景啦~

四、volatile为什么不保证原子性吗？

public class VolatileAtomicity {
    public static volatile int number = 0;

    public static void increase() {
        number++;
    }

    public static void main(String[] args) {

        for (int i = 0; i < 50; i++) {
            new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                    increase();
                }
            }, String.valueOf(i)).start();
        }

        // 当所有累加线程都结束
        while(Thread.activeCount() > 2) {
            Thread.yield();
        }

        System.out.println(number);
    }
}

分析一下increase()方法，通过反编译工具javap得到如下汇编代码：

public static void increase();
    Code:
       0: getstatic     #2                  // Field number:I
       3: iconst_1
       4: iadd
       5: putstatic     #2                  // Field number:I
       8: return

number++其实执行了3条指令：

getstatic：拿number的原始值

iadd：进行加1操作

putfield：把加1后的值写回

执行了getstatic指令number的值取到操作栈顶时，volatile关键字保证了number的值在此时是正确的，但是在执行iconst_1、iadd这些指令的时候，其他线程可能已经把number的值改变了，而操作栈顶的值就变成了过期的数据，所以putstatic指令执行后就可能把较小的number值同步回主内存之中。

总结如下：

在执行number++这行代码时，即使使用volatile修饰number变量，在执行期间还是有可能被其他线程修改。因为在入栈和自增计算执行过程中，该变量有可能正在被其他线程修改，最后计算出来的结果照样存在问题，因此volatile并不能保证非原子操作的原子性，仅在单次读或者单次写这样的原子操作中，volatile能够实现线程安全。

五、禁止指令重排又是啥？

说到指令重排就得知道为什么要重排，有哪几种重排。

会不会感觉到重排把指令顺序都打乱了，这样好吗？

可以回想下小学时候的数学题：2+3-5=?，如果把运算顺序改为3-5+2=?，结果也是一样的。所以指令重排是要保证单线程下程序结果不变的情况下做重排。

为什么要重排

计算机在执行程序时，为了提高性能，编译器和处理器常常会对指令做重排序。

有哪几种重排

1.编译器优化重排：编译器在不改变单线程程序语义的前提下，可以重新安排语句的执行顺序。
2.指令级的并行重排：现代处理器采用了指令级并行技术来将多条指令重叠执行。如果不存在数据依赖性，处理器可以改变语句对应机器指令的执行顺序。
3.内存系统的重排：由于处理器使用缓存和读/写缓冲区，这使得加载和存储操作看上去可能是在乱序执行。

注意：

单线程环境里面确保最终执行结果和代码顺序的结果一致
处理器在进行重排序时，必须要考虑指令之间的数据依赖性
多线程环境中线程交替执行，由于编译器优化重排的存在，两个线程中使用的变量能否保证一致性是无法确定的，结果无法预测。

volatile怎么实现禁止指令重排？

原理：在volatile生成的指令序列前后插入内存屏障（Memory Barries）来禁止处理器重排序。

四种内存屏障

屏障类型	指令类型	说明
`LoadLoad`	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`	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`	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`	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。它的开销是四种屏障中最大的。在大多数处理器的实现中，这个屏障是个`”全能型屏障”`，兼具其它三种内存屏障的功能