Java 併發程式設計：volatile的使用及其原理

Java併發程式設計系列：

• Java 併發程式設計：核心理論 

• Java併發程式設計：Synchronized及其實現原理

• Java併發程式設計：Synchronized底層優化（輕量級鎖、偏向鎖）

• Java 併發程式設計：執行緒間的協作(wait/notify/sleep/yield/join)

• Java 併發程式設計：volatile的使用及其原理

 一、volatile的作用

　　在《Java併發程式設計：核心理論》一文中，我們已經提到過可見性、有序性及原子性問題，通常情況下我們可以通過Synchronized關鍵字來解決這些個問題，不過如果對Synchronized原理有了解的話，應該知道Synchronized是一個比較重量級的操作，對系統的效能有比較大的影響，所以，如果有其他解決方案，我們通常都避免使用Synchronized來解決問題。而volatile關鍵字就是Java中提供的另一種解決可見性和有序性問題的方案。對於原子性，需要強調一點，也是大家容易誤解的一點：對volatile變數的單次讀/寫操作可以保證原子性的，如long和double型別變數，但是並不能保證i++這種操作的原子性，因為本質上i++是讀、寫兩次操作。

二、volatile的使用

　　關於volatile的使用，我們可以通過幾個例子來說明其使用方式和場景。

1、防止重排序

　　我們從一個最經典的例子來分析重排序問題。大家應該都很熟悉單例模式的實現，而在併發環境下的單例實現方式，我們通常可以採用雙重檢查加鎖（DCL）的方式來實現。其原始碼如下：

package com.paddx.test.concurrent;

public class Singleton {
    public static volatile Singleton singleton;

    /**
     * 建構函式私有，禁止外部例項化
     */
    private Singleton() {};

    public static Singleton getInstance() {
        if (singleton == null) {
            synchronized (singleton) {
                if (singleton == null) {
                    singleton = new Singleton();
                }
            }
        }
        return singleton;
    }
}

　　現在我們分析一下為什麼要在變數singleton之間加上volatile關鍵字。要理解這個問題，先要了解物件的構造過程，例項化一個物件其實可以分為三個步驟：

　　（1）分配記憶體空間。

　　（2）初始化物件。

　　（3）將記憶體空間的地址賦值給對應的引用。

但是由於作業系統可以對指令進行重排序，所以上面的過程也可能會變成如下過程：

　　（1）分配記憶體空間。

　　（2）將記憶體空間的地址賦值給對應的引用。

　　（3）初始化物件

　　如果是這個流程，多執行緒環境下就可能將一個未初始化的物件引用暴露出來，從而導致不可預料的結果。因此，為了防止這個過程的重排序，我們需要將變數設定為volatile型別的變數。

2、實現可見性

　　可見性問題主要指一個執行緒修改了共享變數值，而另一個執行緒卻看不到。引起可見性問題的主要原因是每個執行緒擁有自己的一個快取記憶體區——執行緒工作記憶體。volatile關鍵字能有效的解決這個問題，我們看下下面的例子，就可以知道其作用：

package com.paddx.test.concurrent;

public class VolatileTest {
    int a = 1;
    int b = 2;

    public void change(){
        a = 3;
        b = a;
    }

    public void print(){
        System.out.println("b="+b+";a="+a);
    }

    public static void main(String[] args) {
        while (true){
            final VolatileTest test = new VolatileTest();
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        Thread.sleep(10);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    test.change();
                }
            }).start();

            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        Thread.sleep(10);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    test.print();
                }
            }).start();

        }
    }
}

　　直觀上說，這段程式碼的結果只可能有兩種：b=3;a=3 或 b=2;a=1。不過執行上面的程式碼（可能時間上要長一點），你會發現除了上兩種結果之外，還出現了第三種結果：

......
b=2;a=1
b=2;a=1
b=3;a=3
b=3;a=3
b=3;a=1
b=3;a=3
b=2;a=1
b=3;a=3
b=3;a=3
......

　　為什麼會出現b=3;a=1這種結果呢？正常情況下，如果先執行change方法，再執行print方法，輸出結果應該為b=3;a=3。相反，如果先執行的print方法，再執行change方法，結果應該是 b=2;a=1。那b=3;a=1的結果是怎麼出來的？原因就是第一個執行緒將值a=3修改後，但是對第二個執行緒是不可見的，所以才出現這一結果。如果將a和b都改成volatile型別的變數再執行，則再也不會出現b=3;a=1的結果了。

3、保證原子性

 　　關於原子性的問題，上面已經解釋過。volatile只能保證對單次讀/寫的原子性。這個問題可以看下JLS中的描述：

17.7 Non-Atomic Treatment of double and long

For the purposes of the Java programming language memory model, a single write to a non-volatile long or double value is treated as two separate writes: one to each 32-bit half. This can result in a situation where a thread sees the first 32 bits of a 64-bit value from one write, and the second 32 bits from another write.

Writes and reads of volatile long and double values are always atomic.

Writes to and reads of references are always atomic, regardless of whether they are implemented as 32-bit or 64-bit values.

Some implementations may find it convenient to divide a single write action on a 64-bit long or double value into two write actions on adjacent 32-bit values. For efficiency's sake, this behavior is implementation-specific; an implementation of the Java Virtual Machine is free to perform writes to long and double values atomically or in two parts.

Implementations of the Java Virtual Machine are encouraged to avoid splitting 64-bit values where possible. Programmers are encouraged to declare shared 64-bit values as volatile or synchronize their programs correctly to avoid possible complications.

　　這段話的內容跟我前面的描述內容大致類似。因為long和double兩種資料型別的操作可分為高32位和低32位兩部分，因此普通的long或double型別讀/寫可能不是原子的。因此，鼓勵大家將共享的long和double變數設定為volatile型別，這樣能保證任何情況下對long和double的單次讀/寫操作都具有原子性。

　　關於volatile變數對原子性保證，有一個問題容易被誤解。現在我們就通過下列程式來演示一下這個問題：

package com.paddx.test.concurrent;

public class VolatileTest01 {
    volatile int i;

    public void addI(){
        i++;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        final  VolatileTest01 test01 = new VolatileTest01();
        for (int n = 0; n < 1000; n++) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        Thread.sleep(10);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    test01.addI();
                }
            }).start();
        }

        Thread.sleep(10000);//等待10秒，保證上面程式執行完成

        System.out.println(test01.i);
    }
}

大家可能會誤認為對變數i加上關鍵字volatile後，這段程式就是執行緒安全的。大家可以嘗試執行上面的程式。下面是我本地執行的結果：

　　可能每個人執行的結果不相同。不過應該能看出，volatile是無法保證原子性的（否則結果應該是1000）。原因也很簡單，i++其實是一個複合操作，包括三步驟：

　　（1）讀取i的值。

　　（2）對i加1。

　　（3）將i的值寫回記憶體。

volatile是無法保證這三個操作是具有原子性的，我們可以通過AtomicInteger或者Synchronized來保證+1操作的原子性。

注：上面幾段程式碼中多處執行了Thread.sleep()方法，目的是為了增加併發問題的產生機率，無其他作用。

三、volatile的原理

　　通過上面的例子，我們基本應該知道了volatile是什麼以及怎麼使用。現在我們再來看看volatile的底層是怎麼實現的。

　　1、可見性實現：

　　在前文中已經提及過，執行緒本身並不直接與主記憶體進行資料的互動，而是通過執行緒的工作記憶體來完成相應的操作。這也是導致執行緒間資料不可見的本質原因。因此要實現volatile變數的可見性，直接從這方面入手即可。對volatile變數的寫操作與普通變數的主要區別有兩點：

　　（1）修改volatile變數時會強制將修改後的值重新整理的主記憶體中。

　　（2）修改volatile變數後會導致其他執行緒工作記憶體中對應的變數值失效。因此，再讀取該變數值的時候就需要重新從讀取主記憶體中的值。

　　通過這兩個操作，就可以解決volatile變數的可見性問題。

　　2、有序性實現：

 　　在解釋這個問題前，我們先來了解一下Java中的happen-before規則，JSR 133中對Happen-before的定義如下：

Two actions can be ordered by a happens-before relationship.If one action happens before another, then the first is visible to and ordered before the second.

　　通俗一點說就是如果a happen-before b，則a所做的任何操作對b是可見的。（這一點大家務必記住，因為happen-before這個詞容易被誤解為是時間的前後）。我們再來看看JSR 133中定義了哪些happen-before規則：

• Each action in a thread happens before every subsequent action in that thread.
• An unlock on a monitor happens before every subsequent lock on that monitor.
• A write to a volatile field happens before every subsequent read of that volatile.
• A call to start() on a thread happens before any actions in the started thread.
• All actions in a thread happen before any other thread successfully returns from a join() on that thread.
• If an action a happens before an action b, and b happens before an action c, then a happens before c.

　　翻譯過來為：

• 同一個執行緒中的，前面的操作 happen-before 後續的操作。（即單執行緒內按程式碼順序執行。但是，在不影響在單執行緒環境執行結果的前提下，編譯器和處理器可以進行重排序，這是合法的。換句話說，這一是規則無法保證編譯重排和指令重排）。
• 監視器上的解鎖操作 happen-before 其後續的加鎖操作。（Synchronized 規則）
• 對volatile變數的寫操作 happen-before 後續的讀操作。（volatile 規則）
• 執行緒的start() 方法 happen-before 該執行緒所有的後續操作。（執行緒啟動規則）
• 執行緒所有的操作 happen-before 其他執行緒在該執行緒上呼叫 join 返回成功後的操作。
• 如果 a happen-before b，b happen-before c，則a happen-before c（傳遞性）。

　　這裡我們主要看下第三條：volatile變數的保證有序性的規則。《Java併發程式設計：核心理論》一文中提到過重排序分為編譯器重排序和處理器重排序。為了實現volatile記憶體語義，JMM會對volatile變數限制這兩種型別的重排序。下面是JMM針對volatile變數所規定的重排序規則表：

Can Reorder	2nd operation
1st operation	Normal Load Normal Store	Volatile Load	Volatile Store
Normal Load Normal Store			No
Volatile Load	No	No	No
Volatile store		No	No

　　3、記憶體屏障

　　為了實現volatile可見性和happen-befor的語義。JVM底層是通過一個叫做“記憶體屏障”的東西來完成。記憶體屏障，也叫做記憶體柵欄，是一組處理器指令，用於實現對記憶體操作的順序限制。下面是完成上述規則所要求的記憶體屏障：

Required barriers	2nd operation
1st operation	Normal Load	Normal Store	Volatile Load	Volatile Store
Normal Load				LoadStore
Normal Store				StoreStore
Volatile Load	LoadLoad	LoadStore	LoadLoad	LoadStore
Volatile Store			StoreLoad	StoreStore

（1）LoadLoad 屏障
執行順序：Load1—>Loadload—>Load2
確保Load2及後續Load指令載入資料之前能訪問到Load1載入的資料。

（2）StoreStore 屏障
執行順序：Store1—>StoreStore—>Store2
確保Store2以及後續Store指令執行前，Store1操作的資料對其它處理器可見。

（3）LoadStore 屏障
執行順序： Load1—>LoadStore—>Store2
確保Store2和後續Store指令執行前，可以訪問到Load1載入的資料。

（4）StoreLoad 屏障
執行順序: Store1—> StoreLoad—>Load2
確保Load2和後續的Load指令讀取之前，Store1的資料對其他處理器是可見的。

最後我可以通過一個例項來說明一下JVM中是如何插入記憶體屏障的：

package com.paddx.test.concurrent;

public class MemoryBarrier {
    int a, b;
    volatile int v, u;

    void f() {
        int i, j;

        i = a;
        j = b;
        i = v;
        //LoadLoad
        j = u;
        //LoadStore
        a = i;
        b = j;
        //StoreStore
        v = i;
        //StoreStore
        u = j;
        //StoreLoad
        i = u;
        //LoadLoad
        //LoadStore
        j = b;
        a = i;
    }
}

四、總結

　　總體上來說volatile的理解還是比較困難的，如果不是特別理解，也不用急，完全理解需要一個過程，在後續的文章中也還會多次看到volatile的使用場景。這裡暫且對volatile的基礎知識和原來有一個基本的瞭解。總體來說，volatile是併發程式設計中的一種優化，在某些場景下可以代替Synchronized。但是，volatile的不能完全取代Synchronized的位置，只有在一些特殊的場景下，才能適用volatile。總的來說，必須同時滿足下面兩個條件才能保證在併發環境的執行緒安全：

　　（1）對變數的寫操作不依賴於當前值。

　　（2）該變數沒有包含在具有其他變數的不變式中。