深入理解Java中的volatile关键字

1. 引言

在Java多线程编程中,volatile关键字扮演着重要角色。它能够保证变量的可见性和有序性,是实现线程安全的重要工具之一。本文将深入探讨volatile的实现原理,以及与之密切相关的指令重排概念。

2. volatile的作用

volatile关键字主要有两个作用:

保证变量的可见性
禁止指令重排

2.1 保证可见性

在多核处理器系统中,每个处理器都有自己的缓存。当一个线程修改了共享变量的值,这个新值可能还没有从处理器的缓存刷新到主内存,导致其他线程看不到这个新值。volatile保证,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,并且其他线程的缓存中的值会被标记为无效,强制其从主内存重新读取。

2.2 禁止指令重排

指令重排是指处理器为了提高程序运行效率,可能会对输入代码进行优化,导致指令执行顺序发生变化。volatile关键字会在指令序列中插入内存屏障,保证特定操作不会被重排序。

3. 内存屏障

内存屏障(Memory Barrier)是一种CPU指令,用于控制特定条件下的重排序和内存可见性。Java编译器会在volatile变量的读写操作前后插入内存屏障。

3.1 内存屏障的类型

在讨论内存屏障类型之前，我们需要理解两个基本概念：

Load: 表示读取操作，即从主内存加载数据到CPU缓存。
Store: 表示写入操作，即将数据从CPU缓存写入到主内存。

有四种主要的内存屏障类型:

LoadLoad屏障 (LL)
StoreStore屏障 (SS)
LoadStore屏障 (LS)
StoreLoad屏障 (SL)

让我们详细解释每种类型:

LoadLoad屏障 (LL)

含义: 确保Load1数据的装载,在Load2及所有后续装载指令的装载之前完成。
作用: 防止从内存中读取的操作被重排。

StoreStore屏障 (SS)

含义: 确保Store1数据对其他处理器可见(刷新到内存),在Store2及所有后续存储指令的存储之前完成。
作用: 防止写入内存的操作被重排。

LoadStore屏障 (LS)

含义: 确保Load1数据装载,在Store2及所有后续的存储指令刷新到内存之前完成。
作用: 防止读操作与后面的写操作被重排。

StoreLoad屏障 (SL)

含义: 确保Store1数据对其他处理器变得可见(刷新到内存),在Load2及所有后续装载指令的装载之前完成。
作用: 是一个全能型的屏障,同时具有其他三个屏障的效果。

3.2 volatile操作中的内存屏障

在volatile变量的读写过程中,会插入不同类型的内存屏障:

写操作前插入StoreStore屏障:

保证在volatile写之前,所有的普通写操作已经对其他处理器可见。

写操作后插入StoreLoad屏障:

保证volatile写操作对其他处理器立即可见。

读操作后插入LoadLoad屏障:

保证volatile读操作后,后续所有普通读操作必须在volatile读操作完成后执行。

4. 指令重排

指令重排是指处理器为了提高程序运行效率,可能会对输入代码进行优化,导致指令执行顺序发生变化。这种重排序可能发生在以下几个层面:

编译器优化重排
指令级并行重排
内存系统重排

指令重排可以提高程序的执行效率,但在多线程环境下可能导致程序出现意料之外的行为。

5. volatile如何防止指令重排

volatile通过插入内存屏障来禁止特定类型的指令重排,从而保证程序的正确性。以下是一个示例:

public class VolatileReorderingExample {
privatestaticint a = 0;
privatestaticboolean flag = false;
// 使用volatile修饰flag
// private static volatile boolean flag = false;

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

public static void reader() {
if (flag) {              // 3
if (a == 0) {        // 4
                System.out.println("Reordering observed!");
            }
        }
    }

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
            a = 0;
            flag = false;

            Thread writerThread = new Thread(() -> writer());
            Thread readerThread = new Thread(() -> reader());

            writerThread.start();
            readerThread.start();

            writerThread.join();
            readerThread.join();
        }
        System.out.println("Test completed.");
    }
}