7.volatile怎么通过内存屏障保证可见性和有序性？

终有救赎

发布于 2023-10-16 10:28:43

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发布于 2023-10-16 10:28:43

文章被收录于专栏：多线程

volatile通过内存屏障保证可见性

小陈：老王，你上一篇抛出一个问题volatile怎么通过内存屏障保证可见性和有序性？我现在迫不及待的想知道了。

老王：嗯嗯，我们慢慢来讲，先说说volatile怎么通过内存屏障来保证可见性?

小陈：volatile关键字实际上是怎么使用内存屏障的呢？

老王：是这样子的。

volatile修饰的变量，在每个读操作（load操作）之前都加上Load屏障，强制从主内存读取最新的数据。每次在assign赋值后面，加上Store屏障，强制将数据刷新到主内存。

老王：以volatile int = 0；线程A、B进行 i++ 的操作来画图给你讲解一下：

如上图所示：

（1）线程A读取 i 的值遇到Load屏障，需要强制从主存读取得到 i = 0; 然后传递给工作线程执行++操作

（2）cpu执行 i++ 操作得到 i = 1，执行assign指令进行赋值；然后遇到Store屏障，需要强制刷新回主内存，此时得到主内存 i = 1

（3）然后线程B执行读取 i 遇到Load屏障，强制从主内存读取，得到最新的值 i = 1，然后传给工作线程执行 ++操作，得到 i = 2，同样在赋值后遇到Store屏障立即将数据刷新回主内存

老王：通过上面的图和讲解，以及volatile读取前加的Load屏障、赋值后加的Store屏障看懂了吗？

小陈：哦哦，通过这样说我就明白了。

其实说白了就是通过一个屏障让volatile的变量每次读都读主存，每次修改后立即刷到主存里面。

好比线程A修改 i 后立即将值刷到主存里面，后面线程B用到的时候强制从主存读取，这个时候它能看到的值是线程A修改之后的值了。也就是通过这种方式来保证多线程之间的可见性吧。

老王：嘿嘿，没错；就是这个意思......

小陈：volatile通过内存屏障每次走主存的方式；这样来保障可见性，我理解了，害~，感觉也不难嘛......

老王：哈哈，这个本来就不难，只是你需要先了解一下内存屏障，以及这些屏障的作用是什么。再加上之前讲过多核CPU高速缓存、JAVA内存模型，你理解起来就很容易了。如果没有之前的知识做铺垫，你理解起来就费劲了......

小陈：哈哈，好像也是啊......

老王：好了，下面我们继续来讨论一下volatile怎么通过内存屏障来保证有序性？

volatile通过内存屏障保证有序性

老王：小陈啊，之前讲过一个有序性问题导致异常的例子，你还记得不？

小陈：记得啊，我记得当时是这样说的：

线程A的执行代码：

// 步骤1
dataSource = initDataSource();
// 步骤2
httpClient = initHttpClient();
// 步骤3
initOK = true;

线程B的执行代码：

// 步骤4
while(!initOK) {
}
// 步骤5
Object data = dataSource.getData();
// 步骤6
httpClient.request(data);

由于线程A先执行了initOK = true。导致线程B提前跳出了while循环！！！ ，然后线程B调用dataSource.getData的时候发现dataSource没初始化好，竟然是个坑爹的null，导致代码报错了。

老王：哈哈，看来你很用功啊；之前的例子你都记得。

老王：现在我们就来讲讲将initOk用volatile来修饰，是可以做到线程A有序性执行的。

好了，废话不多说，我先来上代码：

// 步骤1
dataSource = initDataSource();
// 步骤2
httpClient = initHttpClient(); 
// 步骤3
initOK = true;

对应到指令可能是这样的：

// 步骤1  对应上面dataSource = initDataSource();
store datasource指令
// 步骤2  对应上面httpClient = initHttpClient();
store http指令
 
StoreStore屏障  （注意：在store initOK前面加了一个StoreStore屏障）
// 步骤3  对应上面initOK = true;
store initOk = true指令
StoreLoad 屏障 （注意：在store initOK后面加了一个StoreLoad屏障）

注意这里：store initOk指令的前面加了一道StoreStore屏障；后面加了一道StoreLoad屏障

所以通过volatile修饰initOK，加了屏障之后；store initOK = true 这一条指令是不能跳到store dataSource、store http前面去的，所以必须****先执行完前面的执行之后，才能执行store initOK = true

这样对于线程B来说，加了内存屏障之后，它看到线程A就是资源初始化完成之后，才将initOK表示设置为true的，这样它看到线程A的执行就是有序的

老王：小陈，我这么说你懂了不？

小陈：稍等，我来捋捋思路....

也就是通过加了屏障，store initOK = true 指令不能跟前面的store指令进行交换。所以它就自然得等前面的store指令执行完了之后，才执行store initOK = true的对吧？然后在线程B那一侧看到的initOK = true的时候，发现资源以及初始化好了，自然就不会报错了。

老王：bingo，就是这个道理....

小陈：这个volatile写的时候前面加StoreStore屏障、写的后面加StoreLoad屏障来禁止重排序的我看懂了。当volatile读的时候加什么屏障来禁止重排序？

老王：这个就当作思考题，你自己再去看看咯，原理也是一样的......

小陈：好的老王，在线程安全来说volatile保证了可见性、有序性了；我看过一些资料说volatile是不能保证原子性的，那它为啥不能保证原子性啊？

老王：今天我们先讲到这里，你先消化消化。我们下一章再来讨论volatile不能保证原子性的问题......