volatile语义
volatile有两层语义:可见性和禁止指令重排序。
什么是可见性和指令重排序,在这里就不解释了。
实现原理
JVM是如何保证volatile的两层语义的呢?下面分两个小节来解答。
volatile可见性语义的实现原理
通过查看volatile变量赋值语句对应的汇编指令 lock addl $0x0, (%rsp),可以看到,对volatile变量进行写操作时,JVM会向CPU发送一个携带lock前缀的指令,那该指令带来的效果是什么呢?
lock前缀有以下几个效果:
- 锁住总线或缓存,然后执行后面的指令,释放锁后会把缓存(工作内存)中的数据刷新到主存中
- 在锁住总线时,其他CPU/线程的读写请求都会被阻塞。总线加锁时会自动invalidate其他CPU对指令操作的内存地址的cache
- 在锁住缓存时,依靠缓存一致性来保证操作(更新工作内存和主存的整体操作)的原子性,使别的CPU触发一定的操作来invalidate它们自己内部对应的缓存
- lock前缀后的写操会使得对应内存地址栏在其他工作内存中的cache line失效,其他线程要读取该内存地址对应的值时,会从主存获取
总的一句话,volatile的可见性语义是通过lock前缀来实现的。lock前缀使得本CPU的缓存被立即刷新到主存,且invalidate其他CPU的缓存。
volatile禁止指令重排序语义的实现原理
volatile禁止指令重排序有两层含义:
1、当程序执行到volatile变量的读操作或者写操作时,该操作前面的更改肯定全部已经进行,且结果对其他线程在后续时刻是可见的;该操作后面的操作肯定还没有进行
2、在进行指令优化时,不能将volatile前的语句和volatile语句重排序,也不能将volatile语句与volatile后的语句重排序,也不能将volatile前的语句与volatile后的语句重排序。
那么JVM是怎么实现volatile的这层语义的呢?答案是内存屏障。
JVM规定:
- 在每个volatile写操作的前面插入一个StoreStore屏障
- 在每个volatile写操作的后面插入一个StoreLoad屏障?
- 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadLoad屏障?
- 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadStore屏障?
理解:
int x = 10;
boolean flag = false;
boolean y;
volatile int z;
void method1(){
if(flag){
y=x+1;
flag = true;
z=5;
y = z + 10;
}
}
method1()方法中,有两个操作,读取y和写z。根据JVM规定,上述代码可以等价于:
void method1(){
if(flag){
y=x+1;
flag = true; // 按照思维定式,我们认为z=5时,flag一定是true
StoreStore;
z=5;
StoreLoad;
y = z + 10;
LoadLoad;
LoadStore;
}
}
重排序之后的代码执行(变量读写)顺序是难以预知的,而我们又希望z=5的时候,flag是true,帮助我们后续做一些事情。那么这里要加的屏障功能就要满足在volatile变量写之前,其他volatile变量及普通变量的写操作已经完成,那么这个屏障只能是StoreStore。
问题1:那么为什么不需要volatile写之前的load操作呢?像y=x+1这个表达式,x的读操作与y的写操作有依赖关系,因此可以保证x的操作在y前面完成,但是像if(flag)和flag=true这两个操作,不会发生重排序吗?