volatile工作原理

原创

wind602 2021-12-09 10:11:24 ©著作权

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在前文中已经讲解到volatile的使用以及原子性的问题,volatile修饰的变量可以实现线程对变量的写操作能够让其他线程“看到”当前最新的变量数据值,从内存语义上而言,相当于告诉线程读取当前变量要从主内存中读取,对此,现将继续前文的volatile继续深入原理分析.

1. volatile作用与使用场景

volatile规则与作用

基于Happen-Before的原则,对volatile变量执行写操作happen-before该变量读操作的后续每个动作
另外,基于内存语义,我们可以知道volatile读取的数据变量可以立马“看到”volatile在另一个线程已写入的最新值,遵循先写后读的顺序规则
对于声明volatile变量的单步的操作具有原子性
还有一点就是volatile底层处理器是使用内存屏障的机制来强制工作内存失效,从而消除处理器的重排序

使用volatile的场景

当定义的数据变量需要与其他CPU寄存器需要进行数据交互的时候,即在多核CPU的机器下需要声明为volatile,保证数据在多核CPU可见
当数据存储在主内存(JMM中定义的共享内存)时,由于主内存中并没有存在锁的保护,并且依赖于内存的访问顺序,使用volatile的开销会比lock更“廉价”

2. volatile内存语义

部分源码

// shared.javavolatile boolean finished = false;producer(){    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);    finised = true;    System.out.println("have finished product done ....");}consumer(){while (!finised){// nothing  }  System.out.println("have consume product done " + full);}// producer.java// 代码仅做演示,忽略其他因素run(){ producer();}// consumer.javarun(){  consumer();}

基于上述代码内存演示图

代码初始化过程,将数据复制到工作内存中

volatile工作原理_重排序

生产者开始对数据进行写操作,基于volatile语义可以看到写操作之后是刷新到主内存中

volatile工作原理_缓存_02

运行结果
- 使用volatile修饰的消费者线程退出循环完成程序的正常执行
- 不使用volatile修饰的消费者线程由于读取工作内存的数据将会处于不断循环中,没有退出程序
基于上述的内存分析,我们也许会存在一个问题
- 消费者线程在读取的时候看到finshed是volatile修饰为什么工作缓存会失效?
- 也就是接下来要说明的内存屏障,内存语义的实现机制

3. volatile内存屏障实现

内存屏障是处理器层面进行的,因此这里直接查阅jvm下的部分cpu架构源码对volaitle的内存屏障进行说明

关于ARM(指令集机器指令)参考说明

dmb: Data Memory Barrier
ish: DMB operation only applies to the inner shareable domain.
ishld: DMB operation that waits only for loads to complete, and only applies to the inner shareable domain.

JVM中的aarch64架构处理器对volatile的内存屏障说明

ldar<x> 表示volatile的读指令, stlr<x> 表示volatile的写指令

// AArch64 has ldar<x> and stlr<x> instructions which we can safely// use to implement volatile reads and writes. For a volatile read// we simply need////   ldar<x>//// and for a volatile write we need////   stlr<x>

读写屏障流程

// 读屏障// Alternatively, we can implement them by pairing a normal// load/store with a memory barrier. For a volatile read we need////   ldr<x>      // 读取volatile数据//   dmb ishld   // 内存屏障
// 写屏障  // for a volatile write////   dmb ish   // 内存屏障//   str<x>        // 写volatile数据//   dmb ish    // 内存屏障

读写屏障伪代码实现

// demo.javavolatile int j = 0;//threadA writerun(){// ...code start ...  j = 9;// ... code end ...}
//threadB readrun(){// ... code start ... a = j;  a ++;// ... code end ...}

对上述的读写转换为aarch伪指令如下

// 写屏障threadA run(){//... code start ...  dmb ish     // 防止上面代码与写volatile代码重排 str<i>      // j = 9,由于是写屏障,所以会使缓存失效,并更新到主内存中 dmb ish     // 防止下面代码与写volatile代码重排//... code end ....}
// 读屏障threadB run(){// ... code start ... ldr<x>      // 读取j的数据 dmb ishld   // 内存屏障,防止与下面的a++重排序  a++;// ... code end ...}

结果分析
- 对于重排序目的无非就是要将一些读操作优先处理或者说是本地CPU能够不依赖于主内存处理的任务先处理
- 因此,对于volatile的写操作,增加内存屏障一个是防止重排序,为什么可以防止重排序,主要是内存屏障强制CPU将当前的缓存失效,直接从主内存中读取数据,CPU就无需因为性能的问题再去重排序
- 同理,对于volatile的读操作,增加内存屏障,也就是需要从主内存中获取数据进行下一步的操作,也无需再进行重排序