JVM技术总结之七——volatile关键字

接上篇《JVM技术总结之六——JVM的锁优化》

七. volatile 关键字

参考地址：《并发关键字volatile（重排序和内存屏障）》

7.1 volatile 关键字

Volatile 变量具有 synchronized 的可见性特性，但是不具备原子特性。它有两条特性：

1. 禁止指令的重排序；保证了有序性；
2. 当一个线程修改了内存，volatile 关键字保证它能够立即刷新到主内存中；这条特性保证了 volatile 关键字的可见性；

7.2 指令重排序

通常情况下，处理器为了提高程序运行效率，可能会对输入代码进行优化，进行指令的重排序。它不保证程序中各个语句先后执行顺序与代码中完全一致，但保证程序最后执行结果与代码顺序一致。 编译器与处理器在重排序时，会遵守数据依赖性，不会改变存在数据依赖的指令的执行顺序。对于单线程程序，指令的重排序不会改变执行结果，但对于多线程程序，指令的重排序可能会对程序执行结果产生影响。所以需要内存屏障保证可见性。

7.3 内存屏障

内存屏障主要有两个作用：

1. 阻止屏障两侧的指令重排序；
2. 强制把写缓冲区与高速缓存的脏数据等写回主内存，让缓存中相应的数据失效。

内存屏障可以分为两种：

1. Load Barrier：读屏障，在指令前插入 Load Barrier，可以让高速缓存中的数据失效，强制从主内存中加载数据；
2. Store Barrier：写屏障，在指令后插入 Store Barrier，可以将写入缓存中的最新数据更新写入到主内存中，令其他线程可见；

volatile 读前插读屏障，写后加写屏障，避免 CPU 重排导致的问题，实现多线程之间数据的可见性。将两种内存屏障进行两两组合，可以完成数据同步操作，也是 volatile 关键字的关键。

• LoadLoad：L1; Barrier; L2
  • 在 L2 与后续读取操作之前，保证 L1 要读取的数据被读取完毕；
• LoadStore：L; Barrier; S
  • 在 S 与后续写操作执行前，保证 L 要读取的数据被读取完毕；
• StoreStore：S1; Barrier; S2
  • 在 S2 与后续写操作执行前，要保证 S1 要写入的数据写入完毕；
• StoreLoad：S; Barrier; L
  • 在 L 与后续读操作之前，保证 S 要写入的数据写入完毕；
  • 该操作保证了 S 操作的写入对所有处理器可见，开销最大；

volatile 的读操作与写操作，在前后分别插入了内存屏障：

1. volatile 读操作：读前插入 LoadLoad，读后插入 LoadStore；
2. volatile 写操作：写前插入 StoreStore，写后插入 StoreLoad；

通过内存屏障，避免了 volatile 变量和其他指令重排序，实现了线程之间的通信，volatile 表现出了锁的特性。

7.4 Volatile 和 Synchronize 的区别

从并发的三大特性角度来看 volatile 和 synchronized：

• 原子性：volatile 不保证原子性，synchronized 用锁的方式 (lock, unlock) 保证原子性；
• 可见性：在线程 A 中修改主内存变量的值，其他线程也会立即获得该变量的新值；volatile 与 synchronized 都保证可见性；
  • volatile 依靠其特性，在线程中修改值后，会立即向主内存中进行赋值，实现其可见性；
  • synchronized 依靠 lock 的特性，用 synchronized 修饰的方法，字节码上都处于 moniterenter 与 moniterexit 之间，这部分字节码会严格按照顺序执行；
• 有序性：保证代码的顺序执行；
  • volatile 的自身特性：禁止指令的重排列；
  • synchronized 依旧依靠 lock 的特性；

注：

• synchronized 是重量级的锁。具体含义，是指 Java 线程是映射到操作系统内核的轻量级进程执行的；而执行一个轻量级进程，就需要从用户模态切换到系统模态。如果 synchronized 使用次数过多，就意味着模态切换次数太多，消耗内核资源过多。
• 锁优化（自旋锁、锁释放、锁粗化、轻量级锁、偏向锁）是针对 synchronized 关键字进行优化；