我們所熟悉的java并發(fā)volatile！

2018.11.17

我們工程師對這個并發(fā)并不陌生吧，那么這個并發(fā)的關(guān)鍵字volatile是怎樣的呢？

個人認為，既然是多線程編程，那我們在平常的學習中，工作中，大部分都接觸到的就是線程安全的概念。而線程安全就會涉及到共享變量的概念，所以首先，我們得弄清楚共享變量是什么，且處理器和內(nèi)存間的數(shù)據(jù)交互機制是如何導(dǎo)致共享變量變得不安全。

共享變量

能夠在多個線程間被多個線程都訪問到的變量，我們稱之為共享變量。共享變量包括所有的實例變量，靜態(tài)變量和數(shù)組元素。他們都被存放在堆內(nèi)存中。

處理器與內(nèi)存的通信機制

大家都知道處理器是用來做計算的，且速度是非?？斓?，而內(nèi)存是用來存儲數(shù)據(jù)的，且其訪問速度相比處理器來說，是慢了好幾個級別的。那么當處理器需要處理數(shù)據(jù)時，如果每次都直接從內(nèi)存拿數(shù)據(jù)的話，就會導(dǎo)致效率非常低，因此在現(xiàn)代計算機系統(tǒng)中，處理器是不直接跟內(nèi)存通信的，而是在處理器和內(nèi)存之間設(shè)置了多個緩存，也就是我們常常聽到的L1, L2, L3等高速緩存。

具體架構(gòu)如下所示：

我們所熟悉的java并發(fā)volatile！

java并發(fā)之volatile

memory_processor_communication.png

處理器都是將數(shù)據(jù)從內(nèi)存讀到自己內(nèi)部的緩存中，然后在緩存中對數(shù)據(jù)進行修改等操作，結(jié)束后再由緩存寫到回主存中去。

如果一個共享變量 X，在多線程的情況下，同時被多個處理器讀到各自的緩存中去，當其中一個處理器修改了X的值，改成Y了，先寫回了內(nèi)存，而此時另外一個處理器，又將X改成Z，再寫回內(nèi)存，那么之前的Y就會被覆蓋掉了。

這種情況下，數(shù)據(jù)就已經(jīng)有問題了，這種因為多線程操作而導(dǎo)致的異常問題，通常我們就叫做線程不安全。

我們所熟悉的java并發(fā)volatile！

memory_processor_communication_core1.png

memory_processor_communication_core2.png

如上述兩圖所示，X的變量同時被不同的處理器修改成各自的Y和Z，那么如何避免這種情況呢?

這就涉及到了Java內(nèi)存模型中的可見性的概念。

Java內(nèi)存模型之可見性

可見性，意思就是說，在多線程編程中，某個共享變量在其中一個線程被修改了，其修改結(jié)果要馬上能夠被其他線程看到，拿上面的例子來說，也就是當X在其中一個處理器的緩存中被修改成Y了，另一個處理器必須能夠馬上知道自己緩存中的X已經(jīng)被修改成Y了，當此處理器要拿此變量去參與計算的時候，必須重新去內(nèi)存中將此變量的值Y讀到緩存中。

而一個變量，如果被聲明成violate，那么其就能保證這種可見性，這就是volatile變量的作用了。

volatile

那么 volatile 變量能夠保證可見性的實現(xiàn)原理是什么?

聲明成volatile的變量，在編譯成匯編指令的時候，會多出以下一行：

0x0bca13ae:lock addl $0x0,(%esp) ;

這一句指令的意思是在寄存器上做一個+0的空操作，但這條指令有個Lock前綴。

而處理器在處理Lock前綴指令時，其實是聲言了處理器的Lock#信號。

在之前的處理器中，Lock#信號會導(dǎo)致傳輸數(shù)據(jù)的總線被鎖定，其他處理器都不能訪問總線，從而保證處理Lock指令的處理器能夠獨享操作數(shù)據(jù)所在的內(nèi)存區(qū)域。

但由于總線被鎖住，其他的處理器都被堵住了，影響多處理器執(zhí)行的效率。在后來的處理器中，聲言Lock#信號的處理器，不會再鎖住總線，而是檢查到數(shù)據(jù)所在的內(nèi)存區(qū)域，如果是在處理器的內(nèi)部緩存中，則會鎖定此緩存區(qū)域，將緩存寫回到內(nèi)存當中，并利用緩存一致性的原則來保證其他處理器中的緩存區(qū)域數(shù)據(jù)的一致性。

緩存一致性

緩存一致性原則會保證一個在緩存中的數(shù)據(jù)被修改了，會保證其他緩存了此數(shù)據(jù)的處理器中的緩存失效，從而讓處理器重新去內(nèi)存中讀取最新修改后的數(shù)據(jù)。

在實際的處理器操作中，各個處理器會一直在總線上嗅探其內(nèi)部緩存區(qū)域中的內(nèi)存地址在其它處理器的操作情況，一旦嗅探到某處理器打算修改某內(nèi)存地址，而此內(nèi)存地址剛好也在自己內(nèi)部的緩存中，則會強制讓自己的緩存無效。當下次訪問此內(nèi)存地址的時候，則重新從內(nèi)存當中讀取新數(shù)據(jù)。

volatile不僅保證了共享變量在多線程間的可見性，其還保證了一定的有序性。

有序性

何謂有序性呢?

事實上，java程序代碼在編譯器階段和處理器執(zhí)行階段，為了優(yōu)化執(zhí)行的效率，有可能會對指令進行重排序。

如果一些指令彼此之間互相不影響，那么就有可能不按照代碼順序執(zhí)行，比如后面的代碼先執(zhí)行，而之前的代碼則慢執(zhí)行，但處理器會保證結(jié)束時的輸出結(jié)果是一致的。

以上的這種情況就說明指令有可能不是有序的。

volatile變量，上面我們看過其匯編指令，會多出一條Lock前綴的指令，這條指令能夠保證，在這條指令之前的所有指令全部執(zhí)行完畢，而在這條指令之后的所有指令全部未執(zhí)行，也相于在這里立起了一道柵欄，稱之為內(nèi)存柵欄，而更通俗的說法，則是內(nèi)存屏障。

那么有了這道屏障，volatile變量就禁止了指令的重排序，從而保證了指令執(zhí)行的有序性。

所有對volatile變量的讀操作一定發(fā)生在對volatile變量的寫操作之后。這同時也說明了volatile變量在多個線程之間能夠?qū)崿F(xiàn)可見性的原理。所以各種規(guī)定和操作，其實之間互有關(guān)聯(lián)，彼此依賴，才能更好地保證指令執(zhí)行的準確和效率。

內(nèi)存屏障

在上面我們也引出了內(nèi)存屏障的概念，也知道了，其實它就是一組處理器的操作指令。

插入一個內(nèi)存屏障，則相當于告訴處理器和編譯器先于這個指令的必須先執(zhí)行，后于這個指令的必須后執(zhí)行。