真正理解Java Volatile的妙用

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前言

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通过这篇文章你将知道： 1、什么是线程同步以及为什么需要线程同步
2、加一条打印语句可退出循环原因
3、volatile为什么不能保证原子性
4、cpu 缓存一致性协议（MESI）
5、内存屏障的作用
6、有了MESI，为啥还需要volatile
7、volatile可见性、顺序性原理
8、volatile运用在哪些场景

概念解析

看到volatile就会想到线程同步，那么volatile能够实现线程同步吗？
两个前提：什么是线程同步？为什么要进行线程同步？

  1. 我们知道，在现代计算机原理中，中央处理器(cpu)负责计算，内存(mem)负责存储数据，两者交互可以简单理解为程序执行的核心（当然实际比这复杂得多）。

image.png

线程则可认为是cpu上运行的一段代码，在单核cpu中，任何时刻只有一个线程被执行

image.png

如上图所示，有5个线程在等待cpu轮转执行，mem里有个变量x，每个线程的功能是使x增1，假设x初始值x=1，那么线程执行结果如下：

线程1从mem取出x=1 送到cpu运算x = x+1 -> x = 2;
线程2从mem取出x=2 送到cpu运算x = x+1 -> x= 3;
...
线程5从mem取出x=4 送到cpu运算x = x+1 -> x= 5;

可以看出，在单核cpu中，多个线程共享同一个变量x，并且都对其进行了操作，当其中一个线程修改了x，其它线程能够知道该值已经发生了变化。我们可以理解为对于变量x的，线程间达到了线程同步。

2、我们知道cpu运算速度远远高于内存读写速度，当线程1计算x完成并且写入内存时，此时cpu没事干了。为了充分利用cpu资源，在cpu和mem之间加了个存储器，速度比mem快很多，称之为cache。当从mem中读取x后，变将x更新到cache里，下次再读取x时，先去cache里查找x，找到就不用到mem里找了，显著提高了读写效率。然而单核cpu同一时间只能执行一个线程，为了能够实现真正的并行，多核cpu应运而生，如下图。

image.png

线程1运行在cpu1上，线程2运行在cpu2上，x变量存储在mem中。
可以看出，cpu与mem之间多了一层cache，那么现在线程1、线程2如何更新变量x呢？

1、假设x的初始值x=1
2、线程1和线程2同时对x进行自增操作x=x+1
3、线程1将x值加载到cache1，线程2将x值加载到cache2
4、线程1修改x=x+1->x = 2，并写入cache1
5、线程2修改x=x+1->x = 2，并写入cache2
6、将cache1里x写入mem，此时x=2。将cache2里x写入mem，此时x=2
7、最终mem里的x=2

由于是线程1和线程2同时修改x，因此就会存在一个风险：当线程2修改x时并不知道线程1在修改x，当然线程1也知道线程2在修改x，两个线程自顾自的干自己的活，最终反馈到mem里的x=2，并不是预期的x=3。

举个通俗的例子：爸爸（线程1）妈妈（线程2）规定小明1天只能有1元的零花钱，某一天爸爸给了小明1元，而妈妈并不知道爸爸已经给了1元，于是也给了小明1元，至此小明拥有了2元，就与爸爸妈妈的要求不相符了。这就是需要进行线程同步的现实需求。

上面解释了什么是线程同步以及为什么要线程同步，接下来我们来看看volatile能否进行线程同步。

    private volatile static int x = 0;

    public static void main(String args[]) {

        Runnable runnable = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                    x++;
                }
            }
        };

        Thread thread1 = new Thread(runnable);
        Thread thread2 = new Thread(runnable);

        thread1.start();
        thread2.start();

        try {
            thread1.join();
            thread2.join();
            System.out.println("x=" + x);
        } catch (Exception e) {

        }

    }

thread1和thead2分别对x自增，x使用volatile修饰，预期结果x = 2000，实际结果：

image.png

image.png

可以看出结果是随机的，不符合预期，说明此种场景下，volatile并不能保证线程同步。

线程并发三要素

原子性

一个或者多个操作，要么全部执行并且中途不能被打断，要么都不执行。

可见性

同一个线程里，先执行的代码结果对后执行的代码可见，不同线程里任意线程对某个变量修改后，其它线程能够及时知道修改后的结果。

有序性

同一线程里，程序的执行顺序按照代码的先后顺序执行。

可以看出，如果不作其它的操作，在多线程环境下可能就会遇到原子性、可见性的问题，因为各个线程之间并不知道其中某个线程正在对共享变量进行操作，也不能立即知道操作后的结果。要保证多线程安全，就需要满足上述三个条件，那么volatile满足哪些条件呢？

验证volatile可见性

看下边网络上摘抄一个例子：
【注1】juejin.im/post/5c6b99…

    private static int sharedVariable = 0;
    private static final int MAX = 10;

    public static void main(String[] args) {

        new Thread(() -> {
            int oldValue = sharedVariable;
            while (sharedVariable < MAX) {
                if (sharedVariable != oldValue) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " watched the change : " + oldValue + "->" + sharedVariable);
                    oldValue = sharedVariable;
                }
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " stop run");
        }, "t1").start();

        new Thread(() -> {
            int oldValue = sharedVariable;
            while (sharedVariable < MAX) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " do the change : " + sharedVariable + "->" + (++oldValue));
                sharedVariable = oldValue;
                try {
                    Thread.sleep(500);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " stop run");
        }, "t2").start();

    }

上面代码目的是：有个共享变量sharedVariable，分别启动两个线程t1,t2。t2每次对sharedVariable自增操作，t1不停检测sharedVariable变化，如果发生变化则打印。根据之前的了解，我们很快就能猜出t1可能无法实时获知sharedVariable的变化，运行代码来验证一下我们的猜测。

image.png

上图传达出两个信息：

1、t2将sharedVariable改变为10，t1只有一次打印
2、t2线程停止，t1未停止，程序没有停止运行

和我们预想的一致，t2对共享变量的修改，t1没能够及时获知，导致t1一直在检测。好了，现在我们加上volatile修饰sharedVariable，结果会如何呢？

image.png

上图传达出两个信息：

1、t1能够及时获知t2每次对sharedVariable的修改。
2、t1、t2均已停止，程序停止运行。

通过上面的正反例子（有无volatile的情况下），似乎能够证明volatile修饰的变量能在各个线程间可见，但此种证明方式合适吗？我们再来看看t1的代码

while (sharedVariable < MAX) {
                if (sharedVariable != oldValue) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " watched the change : " + oldValue + "->" + sharedVariable);
                    oldValue = sharedVariable;
                }
            }

当sharedVariable != oldValue条件成立时才会打印sharedVariable的值，那我们想直接知道sharedVariable值的变化呢，因此在改造将代码做两个改动：
1、将volatile修饰符去掉。 2、在t1循环里增加一行打印。

        new Thread(() -> {
            int oldValue = sharedVariable;
            while (sharedVariable < MAX) {
                System.out.println("sharedVariable:" + sharedVariable + "  oldValue:" + oldValue);
                if (sharedVariable != oldValue) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " watched the change : " + oldValue + "->" + sharedVariable);
                    oldValue = sharedVariable;
                }
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " stop run");
        }, "t1").start();

结果：

image.png

结果出乎我们的意料，在没有volatile修饰sharedVariable变量的情况下，t1仍然能够监测到sharedVariable的变化，而我们仅仅只增加了1行打印语句而已。
既然t1能够监测到sharedVariable变化，那为啥之前if (sharedVariable != oldValue)条件没成立呢，因此我们想在else里打印验证一下：

        new Thread(() -> {
            int oldValue = sharedVariable;
            while (sharedVariable < MAX) {
                if (sharedVariable != oldValue) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " watched the change : " + oldValue + "->" + sharedVariable);
                    oldValue = sharedVariable;
                } else {
                    System.out.println("sharedVariable:" + sharedVariable + "  oldValue:" + oldValue);
                }
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " stop run");
        }, "t1").start();

结果如下：

image.png

t1还是能够监测到sharedVariable变化。为了能够看清t1里的全部打印，我们加sleep(200)，再来看看打印结果：

image.png

我们看到t1能够感知到t2每次对sharedVariable的改变。这里面的可变因素是增加了一行打印，因此我们现在将else里的打印去掉

        new Thread(() -> {
            int oldValue = sharedVariable;
            while (sharedVariable < MAX) {
                if (sharedVariable != oldValue) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " watched the change : " + oldValue + "->" + sharedVariable);
                    oldValue = sharedVariable;
                } else {
                    try {
//                        System.out.println("sharedVariable:" + sharedVariable + "  oldValue:" + oldValue);
                        Thread.sleep(200);
                    } catch (Exception e) {

                    }
                }
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " stop run");
        }, "t1").start();

结果：

image.png

结果依旧，这下可变因素只有一句sleep(200)代码了，我们将此行代码注释
结果：

image.png

打印结果回到了我们最开始时的表现，t1不能够监测到sharedVariable的变化。
由现象推导出的结论：

在t1里增加打印或者sleep，能够让t1监测到sharedVariable的变化

也许你会说：“既然如此，我还需要volatile干嘛”。println和sleep真能达到可见性吗？查看了println和sleep方法，本身没什么特殊的。既然确定我们代码没啥问题，不禁会想到是不是编译器和JVM在搞事呢？看看没有加printltn和sleep时，它们对代码做了怎样的优化。
【注2】www.cnblogs.com/dzhou/p/954… 引用此文章一张图

image.png

有可能对代码进行优化部分包括：
1、一是编译器编译为.class文件
2、解释器&JIT代码生成器部分

查看.class文件
编译前 image.png

编译后 image.png

可以看出，编译前后没啥区别。
查看JVM优化
解释器是将字节码解释为机器语言；JIT是为了让重复执行的代码（热点代码）避免重复解释，将之编译为本地机器码，用到时直接执行机器码，达到了节约时间的目的。
既然编译器没有做优化，那么猜测就是JVM做了优化，实际上还真是JIT做了这事。
【注3】hllvm-group.iteye.com/group/topic… 这篇文章解释了JIT对循环做了怎样的优化。
这里简单说一下：
依然是以t1的代码为例，我们的初衷是如果sharedVariable<10，那么不断监测sharedVariable的变化，如果发生了变化则打印出来。

            while(sharedVariable < 10) {
                if (sharedVariable != oldValue) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " watched the change : " + oldValue + "->" + sharedVariable);
                    oldValue = sharedVariable;
                }
            }

JIT发现这里是重复判断“sharedVariable != oldValue”，因此优化了代码：只在第一次取sharedVariable的值，后续不再取最新值，然后一直死循环，最终导致程序没退出。而增加了println或者sleep后，JIT取消了优化。（注：此处结论根据链接里的例子进行猜测，没有去了解汇编后的代码，若有不同看法，请评论指正）。

缓存一致性协议

上面我们发现了一个现象：没有volatile修饰共享变量，增加println/sleep取消JIT优化，使得t1能够监测到sharedVariable的变化，这是怎么做到的呢?记得我们最开始时提到的多核cpu下，每个cpu有多级cache缓存，cpu每次优先从cache里取数据，为了能够让不同cpu cache之间数据尽量一致，cpu实现了缓存一致性协议（Cache-Coherence Protocols ）

image.png

cache基本数据单位称之为cache line（大小可能为64byte 128byte等，不同cache设计不一样），cache与mem和cache之间的数据交换都是以cache line为基本单位。既然cache1、mem、cache2之间要保证数据一致性，那么需要有效的协同。cache line设计了四种状态：

Modified（M），Exclusive（E），Shared（S）和Invalid（I）

因此缓存一致性协议也称作MESI协议。那么cache1、mem、cache2是怎么通信的呢？它们之间定义了6种消息：

1、Read (包含要读取变量在mem里的地址)
2、Read Response (对Read消息的回复，包含对应变量的cache line)
3、Invalidate (包含待失效的变量地址）
4、Invalidate Acknowledge （对Invalidate消息的回复）
5、Read Invalidate （Read消息和Invalidate消息的结合）
6、WriteBack （将cache 刷新到mem里）

简单化的通信过程

我们分别从读和写一个共享变量x来观察MESI如何工作的。
读写x:
x存在mem里，不在cache1、cache2里，初始值x=0
cpu1读x:

1、cpu1发出Read消息，mem和cache2收到该消息，此时mem发送Read Response（包含x）
2、cpu1收到Read Response后，将数据放入对应的cache line

cpu2读取x:

1、cpu2发出Read消息，mem和cache1收到该消息，此时cache1发送Read Response（包含x）
2、cpu2收到Read Response后，将数据放入对应的cache line

此时，cache1 和cache2都拥有了x，状态为S
现在cpu1要修改x=1

1、cpu1发送Invalidate消息
2、cpu2收到后，找到对应的cache line，将之移除（置为I状态），并发送Invalidate Acknowledge
3、cpu1收到Invalidate Acknowledge，将x=1更新到cache line，此时状态为（M）

cpu2读取x=1

1、cpu2读取x时，发现cache line状态为I，因此会发送Read消息
2、cpu1收到Read消息，发现此时处在M状态，发出WriteBack将cache line刷新到mem，并发送Read Response给cpu2
3、cpu2收到Read Response，更新对应cache line

此时x=1已经会写到mem，并且cpu2 cache里 x =1，cache1 、mem、cache2 三者x=1，完成一致性通信。

榨取cpu性能

如果cpu参照上述协议运行，那么可想而知效率是比较低的。
Store Buffer
假设x在cpu2里，不在cpu1里，x初始值x=0
cpu1执行x=1

1、cpu1发送Read Invalidate消息
2、cpu2收到后先移除对应的cache line，并将Read Response和Invalidate Acknowledge返回给cpu1
3、cpu1收到后放入对应的cache line
4、cpu1将x=1写入对应的cache line

从上面步骤可以看出，cpu1需要等待cpu2的Response才能进行下一步操作。等待过程比较耗时，因此cpu1和cache 之间增加了Store Buffer暂存数据，流程变为如下：

1、cpu1发送Read Invalidate消息
2、cpu1将x=1放入Store Buffer
3、cpu2收到后先移除对应的cache line，并将Read Response和Invalidate Acknowledge返回给cpu1
4、cpu1收到后放入对应的cache line
5、cpu1将Store Buffer写入对应的cache line

增加了Store Buffer，看似没啥用处。但想象一下，如果cpu1同时需要更新多个变量如x、y、z的值，那么先将x、y、z写入到Store Buffer，当某个时机成熟时再一并写入cache，这个时候效率就体现出来了。
Invalidate Queue
cpu1 发送Read Invalidate，需要等待cpu2发送Invalidate Acknowledge，假设此时cpu2忙于将Store Buffer写入cache line，没有及时将cache line移除，那么就不会发送Invalidate Acknowledge，cpu1就需要等待。此时就引入了Invalidate Queue，cpu2收到Invalidate消息后，将之放入Invalidate Queue，并立即发送Invalidate Acknowledge，这个时候cpu1及时收到确认消息，并没有被耽搁。
加入Store Buffer和Invalidate Queue后示意图

image.png

内存屏障

通过Store Buffer 和Invalidate Queue成功提升了cpu效率，会有副作用吗？
先来看看Store Buffer引入
x在cache2里，y在cache1里，cpu1执行performByCpu1()，cpu2执行performByCpu2

        int x = 0;
        boolean y = false;
        
        void performByCpu1() {
            x = 1;
            y = true;
        }
        
        void performByCpu2() {
            while(!y)
                continue;
            assert x == 1;
        }

1、cpu1将x=1放入Store Buffer
2、cpu2发现y=false，则一直循环
3、cpu1将y=true放入写入cache
4、cpu2发现y失效，则重新读取发现y=true
5、cpu2从cpu1获取x，发现x=0，assert fail
6、cpu1将Store Buffer里的x=1 刷新到cache line

问题出现了，x=1并没有被cpu1及时写入cache line，导致cpu2无法及时获取x的值。为什么会出现此种问题呢？

  • 当cpu1发送Read Invalidate之后，将x=1放入Store Buffer，此时继续执行y=1操作，而cpu2发送Read请求y的值，cpu2可能会先收到cpu1的Response，因此执行assert x== 1操作，但是此时cpu1还没收到Read Response和Invalidate Acknowledge，因此Store Buffer里的数据无法写入cache，cpu2收到的是更改之前的数据。

如何解决此种问题？
通过加入内存屏障告诉CPU在进行下一步之前保证Store Buffer已刷新进cache

        int x = 0;
        boolean y = false;

        void performByCpu1() {
            x = 1;
            smp_mb
            y = true;
        }

        void performByCpu2() {
            while(!y)
                continue;
            assert x == 1;
        }
  • cpu1执行到smp_mb指令时，发现是内存屏障指令，先将x=1从Store Buffer写入cache，当cpu2获取y值时，收到的Read Response里x=1，因此asser x==1 为true。成功解决了引入Store Buffer的问题。

再来看看Invalidate Queue引入

1、cpu1发送Read Invalidate消息
2、cpu2收到后将之放入Invalidate Queue，并发送InvalidateAcknowledge消息
3、cpu1将x=1、y=true更新到cache里
4、cpu2将y更新到cache line并跳出循环
5、cpu2读取x，发现x就在自己的cache line，x=0 assert fail
6、cpu2将Invalidate Queue取出，失效自身的cache

问题出现了，x=1并没有被cpu2获取到。出现该问题原因如下：

  • cpu2执行Invalidate Queue里的消息时间不确定

如何解决此种问题？
通过加入内存屏障告诉CPU在进行下一步之前保证Invalidate Queue里的消息已经执行

        int x = 0;
        boolean y = false;

        void performByCpu1() {
            x = 1;
            smp_mb
            y = true;
        }

        void performByCpu2() {
            while(!y)
                continue;
            smp_mb
            assert x == 1;
        }
  • 当cpu2执行到smp_mb时，强制将Invalidate Queue消息取出，将x所在的cache line移除，然后cpu2访问x时，会从cpu1获取，此时cpu1的x=1，cpu2收到将cache line 写入x=1，assert x== 1 为true。成功解决了引入Invalidate Queue的问题。

【注4】内存屏障消息流转可参考：zhuanlan.zhihu.com/p/55767485

小结
cpu实现了缓存一致性协议，尽可能保证cache之间数据一致性。但是为了充分利用cpu性能，增加了Store Buffer和Invalidate Queue缓存，导致cpu可能产生指令顺序不一致问题，看起来像是指令重排了，通过增加内存读写屏障来规避此问题。
回到我们之前的问题：“没有volatile修饰共享变量，增加println/sleep取消JIT优化，使得t1能够监测到sharedVariable的变化”。这个能够实现是因为cpu实现了缓存一致性协议。 再回到我们最初的问题，怎样验证volatile修饰的变量具有线程间可见性呢？我们原本想通过t1的死循环来证明，发现死循环并不是因为t1监测不到sharedVariable变化，而是JIT对代码进行了优化。因此我们增加了打印语句，取消JIT优化，此时无法有效的观测到t1监测不到sharedVariable变化现象，因为缓存一致性尽可能保证cache数据一致性。

volatile作用

可见性

MESI通过加入内存屏障指令来确保数据顺序一致性，那么这个内存屏障是什么时候插入呢？实际上在编译为汇编语句的时候，当JVM发现有变量被volatile修饰时，会加入LOCK前缀指令，这个指令的作用就是增加内存屏障。这就是为什么有了MESI协议，我们还需要volatile的原因之一。因为volatile变量读写前后插入内存屏障指令，所以cache之间的数据能够及时感知到，共享变量就达到了线程间可见性，也就是说volatile修饰的变量具有线程间可见。

有序性

我们知道单个线程里，程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。引用上面的例子。

        int x = 0;
        boolean y = false;

        void performByCpu1() {
            x = 1;
            y = true;
        }

        void performByCpu2() {
            while(!y)
                continue;
            assert x == 1;
        }

先来看performByCpu1()方法，x、y没有什么关系，编译器为了优化，可能进行指令重排，将y=true 排在x=1前面执行，在单线程里没有影响，但当我们再看performByCpu2()方法时，因为指令重排的问题，导致多线程下程序执行结果不正确了。这是编译器层面的指令重排，加了volatile修饰后，取消这种编译优化。这就是为什么有了MESI协议，我们还需要volatile的原因之二。

volatile能保证原子性吗

前面的例子我们有验证过，volatile不能保证原子性，为什么不能保证呢？
t1、t2线程同时对x执行x++操作，假设t1在cpu1上执行，t2在cpu2上执行。x++是复合操作，其包含如下三步骤：

1、读取x的值
2、计算x+1的值
3、用x+1的结果给x赋值
指令执行简单化如下： 1、cpu1读取x的值，初始值x=0
2、cpu2读取x的值，初始值x=0
3、cpu1执行x+1，此时tmp=1
4、cpu1将x=1写入cache
5、cpu2收到Invalidate消息，失效其cache，并使用cpu1 cache的值，此时cpu2 cache x=1
6、cpu2执行x+1，因为之前x=0已经在cpu2 寄存器里边，因此直接执行x+1，并将x=1写入cache
7、最终写入mem x=1 与预期结果x=2不符

因此volatile不能保证原子性。

volatile使用场景

综上所述，volatile能够保证可见性、有序性、不能保证原子性，那么volatile在哪些场景下会用到呢？那就针对其可见性、有序性特点来分析。
针对有序性，我们可以通过volatile禁止指令重排达到有序性。典型用处是在单例双重检查锁 DCL（double-checked locking）

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

instance = new CheckManager() 是复合运算，正常步骤分解如下：

1、分配对象内存空间
2、初始化CheckManager
3、返回对象内存空间首地址

由于存在指令重排优化，3可能在2之前执行，当另一个线程获取到instance时，由于没有正常初始化完成，可能会导致问题。通过使用volatile 修饰instance，禁止指令重排，避免此种情况。
针对可见性，当一个线程在修改共享变量，而其它线程只是读取变量时，使用volatile修饰共享变量，读线程能够及时获知共享变量的变化。例子可参考开篇的t1、t2读写x做法。
实际上我们发现CAS、Lock等锁机制内部使用了volatile保证可见性，有兴趣的可以去看看源码。 有疑惑、指正的请评论留言～

参考链接

juejin.im/post/5c6b99… www.cnblogs.com/dzhou/p/954… hllvm-group.iteye.com/group/topic… zhuanlan.zhihu.com/p/55767485

本文基于JDK 1.8，运行环境也是jdk1.8。

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