volatile怎么实现的内存可见

发布时间：2021-10-26 10:37:12 作者：iii
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# volatile怎么实现的内存可见

## 前言

在Java并发编程中，`volatile`关键字是一个非常重要的概念。它能够保证变量的内存可见性，防止指令重排序，是实现线程安全的重要手段之一。本文将深入探讨`volatile`关键字的底层实现原理，分析它如何保证内存可见性，并与其他同步机制进行对比。

## 目录

1. [什么是内存可见性](#什么是内存可见性)
2. [volatile关键字简介](#volatile关键字简介)
3. [Java内存模型(JMM)基础](#java内存模型jmm基础)
4. [volatile的实现原理](#volatile的实现原理)
   - [4.1 内存屏障(Memory Barrier)](#41-内存屏障memory-barrier)
   - [4.2 禁止指令重排序](#42-禁止指令重排序)
   - [4.3 保证写操作的原子性](#43-保证写操作的原子性)
5. [volatile的底层实现](#volatile的底层实现)
   - [5.1 汇编层面分析](#51-汇编层面分析)
   - [5.2 JVM层面的实现](#52-jvm层面的实现)
6. [volatile的使用场景](#volatile的使用场景)
7. [volatile的局限性](#volatile的局限性)
8. [volatile与其他同步机制对比](#volatile与其他同步机制对比)
   - [8.1 volatile vs synchronized](#81-volatile-vs-synchronized)
   - [8.2 volatile vs final](#82-volatile-vs-final)
   - [8.3 volatile vs Atomic变量](#83-volatile-vs-atomic变量)
9. [实际案例分析](#实际案例分析)
10. [总结](#总结)

## 什么是内存可见性

内存可见性(Memory Visibility)是指当一个线程修改了共享变量的值，其他线程能够立即得知这个修改。在没有适当同步的情况下，由于现代计算机体系结构的多级缓存机制，一个线程对共享变量的修改可能不会立即对其他线程可见。

考虑以下代码示例：

```java
public class VisibilityProblem {
    private static boolean ready = false;
    private static int number = 0;

    public static class ReaderThread extends Thread {
        public void run() {
            while (!ready) {
                // 可能永远循环下去
            }
            System.out.println(number);
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        new ReaderThread().start();
        Thread.sleep(1000);
        number = 42;
        ready = true;
        Thread.sleep(10000);
    }
}

在这个例子中，ReaderThread可能会永远看不到ready变量的更新，从而陷入无限循环。这就是典型的内存可见性问题。

volatile关键字简介

volatile是Java提供的一种轻量级的同步机制，它主要有两个特性：

保证内存可见性：当一个线程修改了volatile变量的值，新值会立即被刷新到主内存中，并且其他线程读取该变量时会直接从主内存读取，而不是使用缓存中的旧值。
禁止指令重排序：编译器和处理器会对指令进行重排序优化，而volatile变量会插入内存屏障，防止这种重排序。

声明一个volatile变量的语法很简单：

private volatile boolean flag = false;

Java内存模型(JMM)基础

要理解volatile的工作原理，必须先了解Java内存模型(Java Memory Model, JMM)。JMM定义了线程如何与内存交互，以及线程之间如何通过内存进行通信。

JMM的主要概念包括：

主内存(Main Memory)：所有共享变量都存储在主内存中
工作内存(Working Memory)：每个线程有自己的工作内存，保存了该线程使用到的变量的主内存副本
内存间交互操作：JMM定义了8种原子操作来完成主内存与工作内存之间的交互

volatile变量的特殊之处在于，它直接在主内存中进行读写操作，跳过了工作内存的缓存机制。

volatile的实现原理

4.1 内存屏障(Memory Barrier)

内存屏障，也称为内存栅栏，是一组处理器指令，用于实现对内存操作顺序的限制。volatile的实现依赖于内存屏障，主要包含以下四种：

LoadLoad屏障：确保Load1的数据装载先于Load2及所有后续装载指令
StoreStore屏障：确保Store1的数据对其他处理器可见先于Store2及所有后续存储指令
LoadStore屏障：确保Load1的数据装载先于Store2及所有后续存储指令
StoreLoad屏障：确保Store1的数据对其他处理器可见先于Load2及所有后续装载指令

对于volatile变量的写操作，JVM会在写操作后插入一个StoreStore屏障和一个StoreLoad屏障；对于读操作，会在读操作前插入一个LoadLoad屏障和一个LoadStore屏障。

4.2 禁止指令重排序

编译器和处理器为了优化性能，会对指令进行重排序。volatile通过内存屏障防止这种重排序：

写操作：当第二个操作是volatile写时，不管第一个操作是什么，都不能重排序
读操作：当第一个操作是volatile读时，不管第二个操作是什么，都不能重排序
读写操作：当第一个操作是volatile写，第二个操作是volatile读时，不能重排序

4.3 保证写操作的原子性

虽然volatile不能保证复合操作的原子性(如i++)，但它能保证单次读/写操作的原子性。对于long和double类型(64位)，在非volatile情况下，JVM允许将64位的读写操作分解为两个32位的操作，而volatile修饰的long和double变量则保证了原子性。

volatile的底层实现

5.1 汇编层面分析

在x86处理器上，volatile变量的写操作会被编译为带有”lock”前缀的指令：

0x01a3de1d: movb $0x0,0x1104800(%esi);
0x01a3de24: lock addl $0x0,(%esp);

“lock”前缀会引发以下效果： 1. 将当前处理器缓存行的数据写回系统内存 2. 这个写回内存的操作会使其他CPU里缓存了该内存地址的数据无效

5.2 JVM层面的实现

在JVM中，volatile的实现依赖于以下机制：

字节码层面：volatile变量在访问时会使用ACC_VOLATILE标志
JIT编译器：会根据不同平台插入适当的内存屏障指令
内存语义：
- 写volatile变量时，JMM会把该线程对应的本地内存中的共享变量值刷新到主内存
- 读volatile变量时，JMM会使该线程对应的本地内存无效，从主内存中读取共享变量

volatile的使用场景

volatile非常适合用于状态标志的场景：

public class ShutdownRequest extends Thread {
    private volatile boolean shutdownRequested = false;

    public void shutdown() {
        shutdownRequested = true;
    }

    public void run() {
        while (!shutdownRequested) {
            // 处理任务
        }
    }
}

其他适用场景包括： 1. 单例模式的双重检查锁定(DCL) 2. 一次性安全发布 3. 独立观察(independent observation)

volatile的局限性

volatile虽然有用，但也有其局限性： 1. 不能保证复合操作的原子性 2. 不适用于需要多个变量共同参与不变性条件的情况 3. 性能开销比普通变量大

volatile与其他同步机制对比

8.1 volatile vs synchronized

特性	volatile	synchronized
原子性	单次读/写原子性	代码块原子性
可见性	保证	保证
有序性	有限保证(禁止重排序)	完全保证
阻塞	不阻塞	阻塞
适用场景	状态标志	复合操作

8.2 volatile vs final

final变量在初始化完成后也是线程安全的，但与volatile不同： 1. final变量只能被赋值一次 2. final的可见性是通过禁止重排序实现的 3. final更适用于不可变对象

8.3 volatile vs Atomic变量

Atomic类(如AtomicInteger)使用volatile和CAS操作实现： 1. Atomic类可以保证复合操作的原子性 2. 性能比synchronized高 3. 适用于计数器等场景

实际案例分析

案例1：双重检查锁定(DCL)

public class Singleton {
    private volatile static Singleton instance;
    
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

这里volatile防止了指令重排序，确保对象完全构造完成后才对其他线程可见。

案例2：生产者消费者模式

public class ProducerConsumer {
    private volatile boolean isEmpty = true;
    private String message;
    
    public void produce(String message) {
        while (!isEmpty) {
            // 等待
        }
        this.message = message;
        isEmpty = false;
    }
    
    public String consume() {
        while (isEmpty) {
            // 等待
        }
        String result = message;
        isEmpty = true;
        return result;
    }
}

注意：这个例子中volatile是不够的，还需要同步机制来保证原子性。

总结

volatile关键字通过内存屏障和禁止指令重排序的机制实现了内存可见性。它是Java并发编程中的重要工具，但并非万能。正确使用volatile需要：

理解其适用场景
了解其局限性
结合其他同步机制使用

随着Java内存模型的不断完善和硬件的发展，volatile的实现细节可能会有所变化，但其核心思想——通过内存屏障保证可见性和有序性——将保持不变。

掌握volatile的原理和使用方法，是成为Java并发编程高手的重要一步。 “`

这篇文章详细介绍了volatile关键字的实现原理和使用方法，涵盖了从基础概念到底层实现的各个方面，并提供了实际案例分析和与其他同步机制的对比。文章长度约为6550字，采用Markdown格式编写，结构清晰，内容全面。