java volatile的有序性底层实现原理

谁借莪１个温暖的怀抱￠ 2023-10-11 22:24 151阅读 0赞

## volatile介绍 ##

在计算机科学中，"volatile"是一个关键字，用于修饰变量，指示编译器和计算机体系结构在处理该变量时需要特别注意。它主要有两个作用：禁止编译器对该变量的优化，以及保证多线程环境下对该变量的可见性。

当一个变量被声明为"volatile"时，编译器会禁止对该变量进行一些优化操作，例如将变量缓存在寄存器中。这是因为优化操作可能会导致变量的读写顺序发生改变，而这在某些场景下是不可接受的。"volatile"关键字的存在告诉编译器，该变量可能会被其他线程或外部因素修改，因此编译器必须每次都从内存中读取变量的值，并将修改后的值写回内存。

另一个作用是保证"volatile"变量在多线程环境下的可见性。在多线程编程中，不同的线程可能同时访问和修改同一个共享变量。为了确保线程之间能够正确地看到对共享变量的修改，需要使用同步机制，如锁或原子操作。而"volatile"关键字可以用作一种轻量级的同步机制，当一个线程修改了一个"volatile"变量的值时，该变量的新值将立即对其他线程可见。

"volatile"关键字的底层实现原理与具体的编程语言、编译器和计算机体系结构有关。不同的编程语言和编译器可能会采用不同的机制来实现"volatile"的有序性。在某些体系结构中，编译器会插入内存屏障（memory barrier）或禁止重排序指令（ordered load/store instructions）来确保"volatile"变量的有序性。这些机制的具体细节是由底层硬件提供的，例如处理器的内存模型和缓存一致性协议。

需要注意的是，虽然"volatile"可以保证对变量的可见性，但它并不能解决所有的多线程并发问题。在涉及到复杂的线程同步和数据一致性的场景中，仍然需要使用更强大的同步机制，如锁、信号量、条件变量等，来确保线程之间的正确交互和数据一致性。

## 内存屏障 ##

在底层实现中，"volatile"的有序性通常与处理器的内存模型和编译器优化相关。下面我将简要介绍一些常见的底层实现方式：

1.  内存屏障（Memory Barriers）：内存屏障是一种硬件或指令级别的机制，用于确保在特定位置的指令执行顺序和访问顺序的一致性。在使用"volatile"修饰的变量读写操作周围插入内存屏障可以保证指令不会被重排序，并且所有对内存的读写操作都能按照预期顺序进行。
2.  编译器优化禁止：编译器在优化代码时可能会对变量的读写顺序进行重新排序，以提高性能。但是当变量被声明为"volatile"时，编译器会禁止对该变量的优化，确保对变量的读写操作按照源代码中的顺序执行。
3.  缓存一致性协议：多核处理器中，每个核心都有自己的缓存。当多个核心同时访问共享的"volatile"变量时，缓存一致性协议会确保各个核心之间的缓存数据保持一致。当一个核心修改了"volatile"变量的值时，缓存一致性协议会将修改后的值立即更新到其他核心的缓存中，以保证可见性和有序性。
4.  优化控制：某些编译器提供了特定的编译选项或指令，允许开发人员在需要的时候对"volatile"变量的有序性进行更精确的控制。例如，GCC编译器提供了一些特殊的指令，如"**asm** volatile"，用于指定某个指令序列需要以特定的顺序执行。

需要注意的是，不同的处理器和编译器可能有不同的实现方式。具体的实现细节可能因体系结构、编译器版本和优化级别而异。因此，在使用"volatile"修饰变量时，最好查阅特定编译器和处理器的文档，以了解其具体的有序性保证机制。

StoreStore内存屏障和StoreLoad内存屏障是内存屏障的两个常见类型，它们有不同的作用和语义。

1.  StoreStore内存屏障（也称为Store-Release屏障）：
    
     *  作用：StoreStore屏障用于确保在屏障之前的所有存储操作（写操作）在屏障之后的存储操作之前完成。它保证了存储操作的顺序一致性。
     *  语义：当一个线程在StoreStore屏障之前写入数据，而另一个线程在StoreStore屏障之后进行相应的写操作时，保证后者能够看到前者的最新写入结果。
2.  StoreLoad内存屏障（也称为Store-Load屏障）：
    
     *  作用：StoreLoad屏障用于确保在屏障之前的所有存储操作（写操作）在屏障之后的加载操作（读操作）之前完成。它保证了存储和加载操作之间的顺序一致性。
     *  语义：当一个线程在StoreLoad屏障之前写入数据，而另一个线程在StoreLoad屏障之后读取相同的数据时，保证后者能够看到前者的最新写入结果。

总结：

*  StoreStore屏障确保存储操作在屏障之前完成，存储操作在屏障之后执行。它维护了存储操作的顺序一致性。
 *  StoreLoad屏障确保存储操作在屏障之前完成，加载操作在屏障之后执行。它维护了存储和加载操作之间的顺序一致性。

LoadStore内存屏障和LoadLoad内存屏障是内存屏障的两个常见类型，它们有不同的作用和语义。

1.  LoadStore内存屏障（也称为StoreLoad屏障）：
    
     *  作用：LoadStore屏障用于确保在屏障之前的所有存储操作（写操作）在屏障之后的所有加载操作（读操作）之前完成。换句话说，它保证了存储和加载操作的顺序一致性。
     *  语义：当一个线程在LoadStore屏障之前写入数据，而另一个线程在LoadStore屏障之后读取数据时，保证后者能够看到前者的最新写入结果。
2.  LoadLoad内存屏障（也称为Load-Acquire屏障）：
    
     *  作用：LoadLoad屏障用于确保在屏障之前的所有加载操作（读操作）在屏障之后的操作之前完成。它保证了加载操作的顺序一致性。
     *  语义：当一个线程在LoadLoad屏障之前读取数据，而另一个线程在LoadLoad屏障之后读取相同数据时，保证后者能够看到先前读取操作的结果。

总结：

*  LoadStore屏障确保存储操作在屏障之前完成，加载操作在屏障之后执行。它维护了存储和加载操作的顺序一致性。
 *  LoadLoad屏障确保加载操作在屏障之前完成。它维护了加载操作的顺序一致性。

这些内存屏障类型在多线程编程中非常重要，因为它们提供了对共享数据的正确同步和可见性保证。使用适当的内存屏障可以防止数据竞争、重排序和不一致性等并发问题。但是，具体的内存屏障行为和语义可能因编程语言、编译器和处理器的不同而有所差异，因此在编写并发代码时，建议查阅相关文档来了解具体的内存屏障行为和使用方式。

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被volatile修饰的属性，在编译时，会在前后追加 内存屏障 。

SS：屏障前的读写操作，必须全部完成，再执行后续操作

SL：屏障前的写操作，必须全部完成，再执行后续读操作

LL：屏障前的读操作，必须全部完成，再执行后续读操作

LS：屏障前的读操作，必须全部完成，再执行后续写操作

![在这里插入图片描述][5d0787f109f74c2614e9cfe39d378a62.png_pic_center]

这个内存屏障是JDK规定的，目的是保证volatile修饰的属性不会出现指令重排的问题。

volatile在JMM层面，保证JIT不重排可以理解，但是，CPU怎么实现的。

查看这个文档：https://gee.cs.oswego.edu/dl/jmm/cookbook.html  
![image.png][]

不同的CPU对内存屏障都有一定的支持，比如×86架构，内部自己已经实现了LS，LL，SS，只针对SL做了支持。

去openJDK再次查看，mfence是如何支持的。其实在底层还是mfence内部的lock指定，来解决指令重排问题。

![image.png][image.png 1]

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