深入理解volatile类型——从Java虚拟机内存模型角度

一、前言

在java多线程编程中，volatile可以用来定义轻量级的共享变量，它比synchronized的使用成本更低，因为它不会引起线程上下文的切换和调度。所谓知己知彼、百战不殆。本文从JVM内存模型角度，探讨volatile的实现原理。在明白了volatile的实现原理后，再回过头来使用它，会有一种一览众山小的感觉吧，使用起来会更加得心应手。

二、Java内存模型（JMM）

1、并发编程关键问题

多线程编程涉及到两个关键问题，线程之间的通信与同步。通信是指线程之间传递信息，同步是指控制线程操作的执行顺序。通过共享内存或者消息通知这两种方法，可以实现通信或同步。基于共享内存的线程通信是隐式的，线程同步是显式的；而基于消息通知的线程通信是显式的，线程同步是隐式的。JAVA是前者，即基于共享内存的隐式线程通信、显式线程同步。

2、happens-before模型

JMM呈现给程序员的模型是happens-before模型，即：

• 顺序规则：（单）线程中的写操作的结果，happens before于于任意后续操作。
• 锁规则： 锁的解锁，happens before于于锁的获取或加锁。
• volatile变量规则：volatile写操作，happens before于后续该变量的读操作是可见的。
• 传递性：A操作happens before于B操作，B操作happens before于C操作，则A操作happens before于C操作

这儿的happens-before，并不是指操作先于后续操作执行，而是指操作结果对于后续结果是可见的。

3、可见性

在JMM中，每个线程的内存由两层构成：线程的“本地内存”、“主内存”。“本地内存”是JMM的一个抽象，本身是不存在的，它包括缓存、寄存器、写缓冲区、编译器及CPU的优化等。共享变量存放在“主内存”中，“本地内存”中存放的是共享变量的副本。当线程中发生对共享变量的写操作时，并不是直接写到“主内存”中的，而是先写到“本地内存”的写缓冲区中，只有当刷新（flush）到主内存后，才可能被其它线程加载到其“本地内存”中，此时我们说该共享变量是对其它线程“可见”的，反之如果没有刷新（flush）到主内存，就是对于其它线程“不可见”的。

JMM就是通过控制主内存与每个线程的本地内存之间的交互，来为Java程序员提供可见性的保证的

三、volatile类型的内存语义

happens-before规则提供了对volatile变量可见性的保证，即volatile变量的写操作，对后续任意对该变量的读操作是可见的。

四、volatile类型的JMM实现

再深入一些，JMM是如何实现happens-before模型中的volatile规则的呢？是通过限制这两种操作的重排序实现的。

重排序规则	第二个操作
第一个操作	volatile读	volatile写	普通读/写
volatile读	禁止重排序(1)	禁止重排序(2)	禁止重排序(3)
volatile写	禁止重排序(4)	禁止重排序(5)	-
普通读/写	-	禁止重排序(6)	-

(1) 第一个操作是volatile读时，不可以重排序，否则读出来的结果，可能是被修改过了的。
(2)(5)(6)，第二个是volatile写时，所有操作都不可以被重排序于其后面，因为要确保其写的结果对于后续操作可见。

五、volatile类型使用的注意事项

• 多个volatile操作或复合操作，整体上不具有有序性
• 适用于对volatile变量的写操作很少而读操作很多的环境