摘要：一接觸內(nèi)存模型中的實(shí)例靜態(tài)變量以及數(shù)組都存儲(chǔ)在堆內(nèi)存中，可在線(xiàn)程之間共享。所以，在編碼上實(shí)現(xiàn)鎖的內(nèi)存語(yǔ)義，可以通過(guò)對(duì)一個(gè)變量的讀寫(xiě)，來(lái)實(shí)現(xiàn)線(xiàn)程之間相互通知，保證臨界區(qū)域代碼的互斥執(zhí)行。

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volatile關(guān)鍵字:　使用volatile關(guān)鍵字修飾的的變量，總能“看到”任意線(xiàn)程對(duì)它最后的寫(xiě)入，即總能保證任意線(xiàn)程在讀寫(xiě)volatile修飾的變量時(shí)，總是從內(nèi)存中讀取最新的值。以下是volatile在內(nèi)存中的語(yǔ)義實(shí)現(xiàn)及同步的原理。

一：接觸內(nèi)存模型

Java中的實(shí)例、靜態(tài)變量以及數(shù)組都存儲(chǔ)在堆內(nèi)存中，可在線(xiàn)程之間共享。而Java進(jìn)程間通信由Java內(nèi)存模型（JMM）控制，JMM可以決定共享變量的寫(xiě)入何時(shí)對(duì)另一個(gè)線(xiàn)程可見(jiàn)。（從JDK5開(kāi)始，Java使用JSR-133內(nèi)存模型，從該規(guī)定開(kāi)始，即使是在32位的機(jī)器上，一個(gè)64位的double/long的讀操作也必須滿(mǎn)足原子性）

[圖1.1]
本地內(nèi)存是JMM抽象的一個(gè)概念

二：順序一致性與重排序

從我學(xué)習(xí)編程語(yǔ)言開(kāi)始，所認(rèn)知的是“程序順序執(zhí)行”。然而，順序一致性只是一種理想模型。從源代碼到機(jī)器指令的這一過(guò)程中，編譯器和處理器往往會(huì)對(duì)指令做一些重排序從而提高性能，但是重排序會(huì)依據(jù)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：

不改變單線(xiàn)程程序語(yǔ)義

不影響數(shù)據(jù)依賴(lài)。

happens-before

如果一個(gè)操作的執(zhí)行結(jié)果需要對(duì)另一個(gè)操作可見(jiàn)，則兩個(gè)操作之間滿(mǎn)足happens-before關(guān)系。happens-before具有傳遞性
對(duì)于一個(gè)volatile變量的寫(xiě)操作，happens-before于任意后續(xù)對(duì)這個(gè)變量的讀

as-if-serial

as-if-serial規(guī)定，如果操作直接存在數(shù)據(jù)依賴(lài)關(guān)系，則不允許重排序。不管怎么重排序，都必須遵守as-if-serial語(yǔ)義。

int a = 1;         //(1)
int b = 2;         //(2)
int c = a + b;     //(3)

上面的代碼中，(1)(2)之間不存在以來(lái)和happens-before關(guān)系，可以重排序，而(1)(3)和(2)(3)之間都存在as-if-serial關(guān)系，不能重排序

as-if-serial保護(hù)單線(xiàn)程程程序的語(yǔ)義正確性，使我們無(wú)需擔(dān)心重排序?qū)ξ覀兊挠绊?，也使我們產(chǎn)生一種錯(cuò)覺(jué)：?jiǎn)尉€(xiàn)程程序就是順序執(zhí)行的。
拓展資料--重排序的三種類(lèi)型：

　(1)編譯器優(yōu)化重排序
　(2)指令集并行重排序
　(3)內(nèi)存系統(tǒng)的重排序

三：多線(xiàn)程與重排序的思考

我們將happens-before和as-if-serial的關(guān)系引入到多線(xiàn)程中。我們可以將多線(xiàn)程的所有操作想象成在時(shí)間軸上的順序執(zhí)行的單線(xiàn)程程序。(以下流程圖使用Markdown語(yǔ)法繪制，有些地方不支持)

互不干涉的并發(fā)

在多線(xiàn)程的程序中，假如線(xiàn)程相互之間不涉及共享的變量，亦即互相不干涉，則兩個(gè)線(xiàn)程之間既沒(méi)有happens-before的關(guān)系，也沒(méi)有as-if-serial語(yǔ)義的約束，所以各個(gè)線(xiàn)程之間操作可以任意合并重排序：

線(xiàn)程A的執(zhí)行流程

st=>start: 線(xiàn)程A
op1=>operation: op-a-1
op2=>operation: op-a-2
op3=>operation: op-a-3
e=>end
st->op1->op2->op3->e

線(xiàn)程B的執(zhí)行流程

st=>start: 線(xiàn)程B
op1=>operation: op-b-1
op2=>operation: op-b-2
op3=>operation: op-b-3
e=>end
st->op1->op2->op3->e

并發(fā)的可能的執(zhí)行順序

st=>start: 重排序
op1=>operation: op-a-1
op2=>operation: op-b-1
op3=>operation: op-b-2
op4=>operation: op-a-2
op5=>operation: op-a-3
op6=>operation: op-b-3
e=>end
st->op1->op2->op3->op4->op5->op6->e

共享變量的并發(fā)

當(dāng)線(xiàn)程之間涉及到共享變量時(shí)，涉及到了線(xiàn)程之間的通信，即如圖1.1所示，此時(shí)并發(fā)所存在的問(wèn)題（臟讀、幻讀、不可重復(fù)讀）明顯可見(jiàn)，但是，如果線(xiàn)程沒(méi)有正確地同步（通信），線(xiàn)程之間無(wú)法明確共享變量何時(shí)被寫(xiě)入。因?yàn)榇藭r(shí)所面對(duì)的問(wèn)題就如將線(xiàn)程合并到時(shí)間軸上和重排序后是否違反happens-before和as-if-serial的語(yǔ)義了：

線(xiàn)程A

st=>start: 線(xiàn)程A
op1=>operation: a讀共享變量x
op2=>operation: a寫(xiě)共享變量x
e=>end
st->op1->op2->e

線(xiàn)程B

st=>start: 線(xiàn)程B
op1=>operation: b讀共享變量x
op2=>operation: b寫(xiě)共享變量x
e=>end
st->op1->op2->e

假如不同步，程序可能的執(zhí)行順序

st=>start: 重排序
op1=>operation: a讀共享變量x
op2=>operation: b寫(xiě)共享變量x
op3=>operation: b讀共享變量x
op4=>operation: a寫(xiě)共享變量x
e=>end
st->op1->op2->3->4->e

上面的程序執(zhí)行順序很顯然有臟讀的問(wèn)題，而程序并發(fā)執(zhí)行的正確語(yǔ)義應(yīng)該有如下兩種：

a讀共享變量x happens-before a寫(xiě)共享變量x，a寫(xiě)共享變量x happens-before b讀共享變量x， b讀共享變量x happens-before b寫(xiě)共享變量x

b讀共享變量x happens-before b寫(xiě)共享變量x，b寫(xiě)共享變量x happens-before a讀共享變量x，a讀共享變量x happens-before a寫(xiě)共享變量x

所以，為程序保證并發(fā)操作的正確性，多線(xiàn)程對(duì)共享變量的非原子操作上，必須采用有效的通信方式來(lái)使其對(duì)共享變量的操作對(duì)其它線(xiàn)程可見(jiàn)，這就引入了volatile同步方式。

四：從volatile的內(nèi)存語(yǔ)義到鎖

JMM通過(guò)在指令序列中插入內(nèi)存屏障來(lái)限制編譯器的指令重排序，實(shí)現(xiàn)volatile的內(nèi)存語(yǔ)義

JSR-133中，對(duì)于volatile變量寫(xiě)的內(nèi)存屏障插入策略

普通讀

普通寫(xiě)

StoreStore屏障：禁止前面的普通寫(xiě)和volatile寫(xiě)重排序，保證前面的普通變量寫(xiě)從本地內(nèi)存緩存刷新到主存中

volatile寫(xiě)

StoreLoad屏障：防止volatile寫(xiě)和下面有可能出現(xiàn)的volatile讀發(fā)生重排序

JSR-133中，對(duì)于volatile變量讀的內(nèi)存屏障插入策略

volatile讀

LoadLoad屏障：禁止下面的普通讀和volatile讀重排序

LoadStore屏障：禁止下面的普通寫(xiě)和volatile讀重排序

內(nèi)存屏障對(duì)同步的作用

從上面我們可以看到，通過(guò)volatile關(guān)鍵字，構(gòu)建了happens-before的關(guān)系，限制普通變量和volatile變量讀寫(xiě)的操作指令重排序，有效保證了程序語(yǔ)義的正確性。從下面圖我們可以進(jìn)一步分析：

[圖4.2 volatile使線(xiàn)程之間的對(duì)共享變量操作的同步]

所以，volatile變量的寫(xiě)-讀操作語(yǔ)義和Lock的獲取-釋放語(yǔ)義相同（這是JSR-133對(duì)volatile內(nèi)存語(yǔ)義增強(qiáng)后的），使用volatile我們亦可以靈活、輕量地實(shí)現(xiàn)對(duì)共享（普通）變量的同步：

寫(xiě)volatile變量時(shí)，會(huì)將共享變量的本地內(nèi)存中的修改刷新到主存中

要想使用volatile完全代替鎖還需謹(jǐn)慎，volatile比較難像鎖一樣可以很好地保證整個(gè)臨界區(qū)域代碼的原子性

vloatile 保證對(duì)單個(gè)volatile變量讀/寫(xiě)的原子性

鎖 保證臨界區(qū)域互斥執(zhí)行

但是，volatile的內(nèi)存語(yǔ)義為我們提供了鎖的思路，正如上面表格中使用volatile模仿Lock進(jìn)行同步，既保證了臨界區(qū)域的互斥執(zhí)行，又保證了任意線(xiàn)程對(duì)共享變量修改及時(shí)刷新到主內(nèi)存中，保證了線(xiàn)程間有效通信從而避免并發(fā)操作臨界資源的一些問(wèn)題。

從volatile到鎖的思考

鎖可以讓臨界區(qū)域互斥執(zhí)行，那么線(xiàn)程之間必然存在一個(gè)同步的機(jī)制。

（1）volatile讀 -----> |屏障|--->臨界操作--->|屏障|--->volatile寫(xiě)，成對(duì)的volatile構(gòu)建了happens-before的關(guān)系，并且保證了普通共享變量在volatile寫(xiě)之前刷新到主內(nèi)存中

（2）結(jié)合線(xiàn)程間通信的方式

[圖4.3 線(xiàn)程間通信的方式]

上圖的線(xiàn)程A對(duì)共享變量的寫(xiě)和線(xiàn)程B的讀共享變量，有單線(xiàn)程程序的順序一致性效果，此時(shí)我們可以想到volatile的作用。通過(guò)volatile變量，可以實(shí)現(xiàn)從A線(xiàn)程發(fā)送通知到B線(xiàn)程并且能夠保證happens-before的語(yǔ)義正確性（在并發(fā)時(shí)就很好理解為什么happens-before并不要求前一個(gè)操作一定要在后一個(gè)操作之前執(zhí)行，只需要前一個(gè)操作的結(jié)果對(duì)后一個(gè)操作可見(jiàn)），此時(shí)我們可推出鎖獲取和釋放的內(nèi)存語(yǔ)義：

線(xiàn)程A釋放一個(gè)鎖，即線(xiàn)程A向接下來(lái)要獲取鎖的線(xiàn)程B發(fā)出消息（A修改共享的變量）

線(xiàn)程B獲取一個(gè)鎖，即線(xiàn)程B接收到之前某個(gè)線(xiàn)程發(fā)出的消息（共享變量發(fā)生變化）

從一個(gè)線(xiàn)程釋放鎖，到另一個(gè)線(xiàn)程釋放鎖，實(shí)際上是兩條線(xiàn)程通過(guò)主線(xiàn)程同步對(duì)共享變量的操作，通過(guò)主內(nèi)存相互通信。所以，在Java編碼上實(shí)現(xiàn)鎖的內(nèi)存語(yǔ)義，可以通過(guò)對(duì)一個(gè)volatile變量的讀寫(xiě)，來(lái)實(shí)現(xiàn)線(xiàn)程之間相互通知，保證臨界區(qū)域代碼的互斥執(zhí)行。

[以上內(nèi)容參考了《Java并發(fā)編程的藝術(shù)》，可能有謬誤，歡迎指正]