Volatile实现原理实现原子性happens-before关系从happends-before规则分析可见性编译器层面实现可见性处理器层面实现可见性
读写volatile变量就像是访问一个同步块一样,是原子的且是可见的,总是能访问到最新的值。
原子性
读写volatile变量是原子操作,但读写变量不就是一条指令的事吗(mov、ldr),难道这还可分?没错绝大多数变量读写都是原子的,除了在32位JVM下对long、double的读写,就不是原子的。这是因为在32位下,总线宽度就只有32bit,对64位数据的读写需要分两次进行,依次读写高低32位。但是读写volatile变量由于使用了LOCK前缀指令,锁住了内存,所以即使是64位的数据也是原子的。
读写volatile变量是原子的,包括64位的long和double
实现原子性
实现64位的原子性,需要在读写volatile变量时,使用Lock前缀指令,其作用有:
- 锁住该内存地址,直到读完/写完,保证64位变量读写原子性。少量处理器是使用锁总线实现的,相比锁内存,其开销更大,锁总线期间,所有处理器都不能操作主存外存。
- 将写缓存刷新到主存,保证可见性
- 禁止该指令与前面和后面的读写指令重排序,保证happens-before关系
可见性
happens-before中定义了:写volatile变量,happens-before后面任意一个读这个volatile变量的操作
这意味着volatile变量在多线程间具有可见性,从源码到Runtime发生的重排序指出重排序破坏了可见性。为实现volatile的可见性,读写volatile时则需要禁止重排序,那么需要禁止编译器重排序和处理器重排序
happens-before关系
happens-before规则
- 程序顺序规则:在一个线程中,前面的操作happens-before后面的操作
- volatile写-读规则:写volatile变量,happens-before后面任意一个读这个volatile变量的操作
- 传递性规则:A happens-before B,B happens-before C,则A happens-before C
从这段代码看看happens-before关系,线程A先执行store(),线程B后执行load()
int value = 0;
volatile boolean finish = false;
void store(){
value = 1; //A
read(value); //B
finish = true; //C
value = 2; //D
read(value); //E
}
void load(){
value = 3; //F
read(value); //G
while(!finish); //H
assert value == 1; //I
value = 4; //J
}
①~⑧是程序顺序规则,⑨是volatile写-读规则,浅色的是传递性规则,后面详细解释这些关系。
从happends-before规则分析可见性
①~⑧是根据程序顺序规则得出的,程序顺序规则前提是仅考虑本线程的可见性,那么就不需要考虑多个处理器引发的缓存不一致问题,不需要考虑内存系统重排序,所以不需要用到内存屏障。这样就很简单了,只要保证其在单线程内运行结果不变即可,只要保证编译器、处理器不重排数据依赖的指令。
⑨是根据volatile域写-读规则得出的得出:C happens-before H。也就是线程A写volatile happens-before 线程B读volatile。
再根据传递性规则得出:ABC happens-before H 。也就是线程A写volatile及其之前的操作 happens-before 线程B读volatile。
再根据传递性规则得出:ABC happens-before HIJ 。最终得出线程A写volatile及其之前的操作 happens-before 线程B读volatile及其后续操作
这样来看,写volatile时,需要马上将本地内存刷新到主存中去。读volatile时,需要将本地内存中共享变量设为无效状态,重新从主存中读。
编译器层面实现可见性
可以看到:
- 写volatile变量时,无论前一个操作是什么,都不能重排序(①~④happens-before)
- 读volatile变量时,无论后一个操作是什么,都不能重排序(⑤~⑧happens-before)
- 当先写volatile变量,后读volatile变量时,不能重排序(⑨happens-before)
处理器层面实现可见性
根据前面的出来的可见性:线程A写volatile及其之前的操作 happens-before 线程B读volatile及其后续操作。
可以看到这个可见性是在多线程间的,所以要避免内存系统重排序,需要使用JMM提供的内存屏障
先给可见性拆分,方便从最简单的开始实现:
- 线程A写volatile happens-before 线程B读volatile
- 线程A写volatile及其之前的操作 happens-before 线程B读volatile
- 线程A写volatile及其之前的操作 happens-before 线程B读volatile及其后续操作
实现可见性:
- 对第一级可见性,可以在写volatile之后加StoreLoad Barrier,也可以在读volatile之前加StoreLoad Barrier。选择哪种?在实际开发中,常用的模式是一个写线程,多个读线程,典型的有生产者消费者模式,所以在写volatile后加StoreLoad Barrier,会大大减少执行屏障的次数,比后者的性能要好。
- 对第二级可见性,在写volatile之前加上StoreStore Barrier,可以保证写volatile之前,其之前的所有操作结果已经可见。不用LoadStore Barrier的原因是:读操作并不会改变操作结果。
- 对第三级可见性,实际上是保证读volatile后续操作会不会和读volatile重排序。那么就在读volatile后面加LoadLoad Barrier,这样保证读volatile在其后续读操作之前执行,这样的话 线程A 对 读volatile的后续读操作也可见。同理为了使线程A 对 读volatile后续写操作可见,在读volatile后加上LoadStore Barrier。
综上所述:
- 写volatile之前,StoreStore Barrier
- 写volatile之后,StoreLoad Barrier
- 读volatile之后,LoadLoad Barrier 和 LoadStore Barrier
在刚才的例子上添加内存屏障,实现happens-before关系。
int value = 0;
volatile boolean finish = false;
void store(){
value = 1; //A
read(value); //B
storeStoreBarrier();
finish = true; //C
storeLoadBarrier();
value = 2; //D
read(value); //E
}
void load(){
value = 3; //F
read(value); //G
while(!finish); //H
loadLoadBarrier();
loadStoreBarrier();
assert value == 1; //I
value = 4; //J
}
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