JMM如何实现volatile写/读的内存语义

喜欢ヅ旅行 2024-03-16 15:36 67阅读 0赞

### [内存屏障类型表][Link 1] ###

### JMM如何实现volatile写/读的内存语义 ###

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="left">重排序分为<code>编译器重排序</code>和<code>处理器重排序</code>。<br><br>为了实现volatile内存语义，JMM会分别限制这两种类型的重排序类型。<br></th> 
  </tr> 
 </thead> 
</table>

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="left">下表是JMM针对编译器制定的<code>volatile重排序规则表</code></th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="left"><img src="https://img-blog.csdnimg.cn/cf5055d6321649e3b275ad9fdc30076d.png" alt="在这里插入图片描述"></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">我们可以看出</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"><strong>·<code>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。这个规则确保volatile写之前的操作不会被编译器重排序到volatile写之后。</code></strong></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"><strong>·<code>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。这个规则确保volatile读之后的操作不会被编译器重排序到volatile读之前。</code></strong></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"><strong>·<code>当第一个操作是volatile写，第二个操作是volatile读时，不能重排序</code>。</strong></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="left">为了实现volatile的内存语义，编译器在生成字节码时，会在指令序列中插入<code>内存屏障</code>来禁止特定类型的处理器重排序。对于编译器来说，发现一个最优布置来最小化插入屏障的总数几乎不可能。为此，JMM采取<code>保守策略</code>。下面是基于保守策略的JMM内存屏障插入策略。</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="left"><strong>·在每个volatile写操作的前面插入一个StoreStore屏障。</strong></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"><strong>·在每个volatile写操作的后面插入一个StoreLoad屏障。</strong></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"><strong>·在每个volatile读操作的后面插入一个LoadLoad屏障。</strong></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"><strong>·在每个volatile读操作的后面插入一个LoadStore屏障。</strong></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">上述内存屏障插入策略非常保守，但它可以保证在<code>任意</code>处理器平台，任意的程序中都能得到正确的volatile内存语义。</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="left"><strong>下面是保守策略下，<code>volatile写</code>插入内存屏障后生成的指令序列示意图</strong></th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="left"><img src="https://img-blog.csdnimg.cn/8b41af4999d045378a9b38a5e6fbccbb.png#pic_center" alt="在这里插入图片描述"></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">上图的StoreStore屏障可以保证在volatile写之前，其前面的所有普通写操作已经对任意处理器可见了。这是因为 <strong><code>StoreStore</code>屏障将保障上面所有的普通<code>写</code>在volatile写之前刷新到主内存</strong>。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">这里比较有意思的是，volatile写后面的 <strong><code>StoreLoad</code> 屏障。此屏障的作用是避免volatile<code>写</code>与后面可能有的volatile读/写操作重排序</strong>。因为编译器常常无法准确判断在一个volatile写的后面是否需要插入一个StoreLoad屏障（比如，一个volatile写之后方法立即return）。为了保证能正确实现volatile的内存语义，JMM在采取了保守策略：在每个volatile写的后面，或者在每个volatile读的前面插入一个StoreLoad屏障。从整体执行效率的角度考虑，JMM最终选择了在每个volatile写的后面插入一个StoreLoad屏障。因为volatile写-读内存语义的常见使用模式是：<code>一个写线程写volatile变量，多个读线程读同一个volatile变量</code>。当读线程的数量大大超过写线程时，选择在volatile写之后插入StoreLoad屏障将带来可观的执行效率的提升。从这里可以看到JMM在实现上的一个特点：<code>首先确保正确性，然后再去追求执行效率</code>。</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="left"><strong>下面是在保守策略下，<code>volatile读</code>插入内存屏障后生成的指令序列示意图，如下图所示。</strong></th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="left"><img src="https://img-blog.csdnimg.cn/6e16fc6341534c20b82ecf30d2b94bfd.png#pic_center" alt="在这里插入图片描述"></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"><strong><code>LoadLoad</code> 屏障用来禁止处理器把上面的volatile<code>读</code>与下面的普通<code>读</code>重排序</strong>。<strong><code>LoadStore</code> 屏障用来禁止处理器把上面的volatile<code>读</code>与下面的普通<code>写</code>重排序。</strong></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">由于volatile仅仅保证对<code>单个volatile变量</code>的读/写具有原子性，而锁的互斥执行的特性可以确保对<code>整个临界区代码</code>的执行具有原子性。在功能上，锁比volatile更强大；在可伸缩性和执行性能上，volatile更有优势。如果读者想在程序中用volatile代替锁，请一定谨慎，具体详情请参阅Brian Goetz的文章《Java理论与实践：正确使用Volatile变量》。</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

\-----------------------------------------------------------------------------摘自 书名：Java并发编程的艺术 作者：方腾飞；魏鹏；程晓明  
![在这里插入图片描述][c36f7d7a968244329655ade87948b274.png_pic_center]

[Link 1]: https://blog.csdn.net/weixin_37646636/article/details/131506996
[c36f7d7a968244329655ade87948b274.png_pic_center]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/16/ceb23eb2c1a243ffab845107ac11c7cd.png