Volatile型变量的语义解释

关键字volatile可以说是Java虚拟机提供的最轻量级的同步机制,但是它并不容易完全被正确、 完整地理解,以至于许多程序员都习惯不去使用它,遇到需要处理多线程数据竞争问题的时候一律使用synchronized来进行同步。 了解volatile变量的语义对后面了解多线程操作的其他特性很有意义,在这里我们将多花费一些时间去弄清楚volatile的语义到底是什么。

Java内存模型对volatile专门定义了一些特殊的访问规则,在介绍这些比较拗口的规则定义之前,笔者先用不那么正式但通俗易懂的语言来介绍一下这个关键字的作用。

可见性

当一个变量定义为volatile之后,它将具备两种特性,第一是保证此变量对所有线程的可见性,这里的“可见性”是指当一条线程修改了这个变量的值,新值对于其他线程来说是可以立即得知的。 而普通变量不能做到这一点,普通变量的值在线程间传递均需要通过主内存来完成,例如,线程A修改一个普通变量的值,然后向主内存进行回写,另外一条线程B在线程A回写完成了之后再从主内存进行读取操作,新变量值才会对线程B可见。

volatile变量在各个线程的工作内存中不存在一致性问题(在各个线程的工作内存中,volatile变量也可以存在不一致的情况,但由于每次使用之前都要先刷新,执行引擎看不到不一致的情况,因此可以认为不存在一致性问题),但是Java里面的运算并非原子操作,导致volatile变量的运算在并发下一样是不安全的.

禁止指令重排序优化

使用volatile变量的第二个语义是禁止指令重排序优化,普通的变量仅仅会保证在该方法的执行过程中所有依赖赋值结果的地方都能获取到正确的结果,而不能保证变量赋值操作的顺序与程序代码中的执行顺序一致。 因为在一个线程的方法执行过程中无法感知到这点,这也就是Java内存模型中描述的所谓的“线程内表现为串行的语义”(Within-Thread As-If-SerialSemantics)。

总结

解决了volatile的语义问题,再来看看在众多保障并发安全的工具中选用volatile的意义——它能让我们的代码比使用其他的同步工具更快吗?在某些情况下,volatile的同步机制的性能确实要优于锁(使用synchronized关键字或java.util.concurrent包里面的锁),但是由于虚拟机对锁实行的许多消除和优化,使得我们很难量化地认为volatile就会比synchronized快多少。 如果让volatile自己与自己比较,那可以确定一个原则:volatile变量读操作的性能消耗与普通变量几乎没有什么差别,但是写操作则可能会慢一些,因为它需要在本地代码中插入许多内存屏障指令来保证处理器不发生乱序执行。 不过即便如此,大多数场景下volatile的总开销仍然要比锁低,我们在volatile与锁之中选择的唯一依据仅仅是volatile的语义能否满足使用场景的需求。

需要注意两点

  1. load、read动作相关联,必须连续一起出现。
  2. store、writer动作相关联,必须连续一起出现。
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