volatile（2）

volatile（2）

概述 目录

1.指令重排序的类型

2.volatile内存语义

3.volatile原理

第1节 指令重排序的类型

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。重排序分三种类型：

（1）编译器优化的重排序

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）指令级并行的重排序

现代处理器采用了指令级并行技术（Instruction-Level Parallelism， ILP）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）内存系统的重排序

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。

从Java最终实际执行的指令序列，会分别经历上面三种重排序。

上述的（1）属于编译器重排序，（2）和（2）属于处理器重排序。这些重排序都可能会导致多线程程序出现内存可见性问题。

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（不是所有的编译器重排序都要禁止）。

对于处理器重排序，JMM的处理器重排序规则会要求java编译器在生成指令序列时，插入特定类型的内存屏障（memory barriers，intel称之为memory fence）指令，通过内存屏障指令来禁止特定类型的处理器重排序（不是所有的处理器重排序都要禁止）。

JMM属于语言级的内存模型，它确保在不同的编译器和不同的处理器平台之上，通过禁止特定类型的编译器重排序和处理器重排序，为程序员提供一致的内存可见性保证。

public class Test {
    int a = 0;
    boolean flag = false;

    public void writer() {
        a = 1;                      //1
        flag = true;                //2
    }

    public void reader() {
        if (flag) {                //3
            int i =  a * a;        //4
        }
    }
}

如上图所示，操作1和操作2做了重排序。程序执行时，线程A首先写标记变量flag，随后线程B读这个变量。由于条件判断为真，线程B将读取变量a。此时，变量a还根本没有被线程A写入，在这里多线程程序的语义被重排序破坏了！

在程序中，操作3和操作4存在控制依赖关系。当代码中存在控制依赖性时，会影响指令序列执行的并行度。为此，编译器和处理器会采用猜测（Speculation）执行来克服控制相关性对并行度的影响。以处理器的猜测执行为例，执行线程B的处理器可以提前读取并计算a*a，然后把计算结果临时保存到一个名为重排序缓冲（reorder buffer ROB）的硬件缓存中。当接下来操作3的条件判断为真时，就把该计算结果写入变量i中。

从图中我们可以看出，猜测执行实质上对操作3和4做了重排序。重排序在这里破坏了多线程程序的语义！在单线程程序中，对存在控制依赖的操作重排序，不会改变执行结果（这也是as-if-serial语义允许对存在控制依赖的操作做重排序的原因）；但在多线程程序中，对存在控制依赖的操作重排序，可能会改变程序的执行结果。

第2节 volatile内存语义

volatile可以保证线程可见性且提供了一定的有序性，但是无法保证原子性。在JVM底层volatile是采用“内存屏障”来实现的。

上面那段话，有两层语义

1.保证可见性、不保证原子性

2.禁止指令重排序

（1）可见性

可见性问题主要指一个线程修改了共享变量值，而另一个线程却看不到。引起可见性问题的主要原因是每个线程拥有自己的工作内存。volatile关键字能有效的解决这个问题，我们看下下面的例子，就可以知道其作用

Java中的happen-before规则，JSR 133中对Happen-before的定义如下：

· 程序顺序规则：一个线程中的每个操作，happens-before 于该线程中的任意后续操作。

· 监视器锁规则：对一个监视器的解锁，happens-before于随后对这个监视器的加锁。

· volatile 变量规则：对一个 volatile 域的写，happens-before 任意后续对 个 volatile 域的读。

· 传递性：如果 A happens-before B，且 B happens-before C，那么 A happens-before C。

· 线程的start() 方法 happen-before 该线程所有的后续操作

· 线程所有的操作 happen-before 其他线程在该线程上调用 join 返回成功后的操作

第3节 volatile原理

为了实现volatile可见性和happen-before的语义。JVM底层是通过一个叫做“内存屏障”的东西来完成。内存屏障，也叫做内存栅栏，是一组处理器指令，用于实现对内存操作的顺序限制。下面是完成上述规要求的内存屏障：

在NO的地方会插入指令屏障来防止指令重排序 。

观察加入volatile关键字和没有加入volatile关键字时所生成的汇编代码发现，加入volatile关键字时，会多出一个lock前缀指令。lock前缀指令其实就相当于一个内存屏障。内存屏障是一组处理指令，用来实现对内存操作的顺序限制。volatile的底层就是通过内存屏障来实现的。下图是完成上述规则所需要的内存屏障。

各个指令的作用如下图。