【Java 并发】【五】volatile怎么通过内存屏障保证可见性和有序性

1  前言

这节我们就来看看volatile怎么通过内存屏障保证可见性和有序性。

2  保证可见性

volatile修饰的变量，在每个读操作（load操作）之前都加上Load屏障，强制从主内存读取最新的数据。每次在assign赋值后面，加上Store屏障，强制将数据刷新到主内存。

以volatile int x= 0；线程A、B进行x++的操作来画图给你讲解一下：

如上图所示：
（1）线程A读取i的值遇到Load屏障，需要强制从主存读取得到x = 0; 然后传递给工作线程执行x++操作
（2）cpu执行x++操作得到x = 1，执行assign指令进行赋值；然后遇到Store屏障，需要强制刷新回主内存，此时得到主内存x = 1
（3）然后线程B执行读取i遇到Load屏障，强制从主内存读取，得到最新的值x = 1，然后传给工作线程执行x++操作，得到x = 2，同样在赋值后遇到Store屏障立即将数据刷新回主内存

其实说白了就是通过一个屏障让volatile的变量每次读都读主存，每次修改后立即刷到主存里面。好比线程A修改 i 后立即将值刷到主存里面，后面线程B用到的时候强制从主存读取，这个时候它能看到的值是线程A修改之后的值了。volatile通过内存屏障每次走主存的方式；这样来保障可见性。

3  保证有序性

之前讲过一个有序性问题导致异常的例子，我们回顾下：

线程A的执行代码：

// 步骤1
dataSource = initDataSource();
// 步骤2
httpClient = initHttpClient();
// 步骤3
initOK = true;

线程B的执行代码：

// 步骤4
while(!initOK) {
}
// 步骤5
Object data = dataSource.getData();
// 步骤6
httpClient.request(data);

由于线程A先执行了initOK = true。导致线程B提前跳出了while循环，然后线程B调用dataSource.getData的时候发现dataSource没初始化好，竟然是个坑爹的null，导致代码报错了。

现在我们就来讲讲将initOk用volatile来修饰，是可以做到线程A有序性执行的。好了，废话不多说，我先来上代码：

对于线程A执行的代码，对应的指令是这样的：

// 步骤1
对应上面dataSource = initDataSource(); 对应指令 store datasource指令
// 步骤2
对应上面httpClient = initHttpClient(); 对应指令 store http指令
// 步骤3
StoreStore屏障 （注意：在store initOK前面加了一个StoreStore屏障
initOK = true; 对应指令 store initOk = true指令
StoreLoad 屏障 （注意：在store initOK后面加了一个StoreLoad屏障）

其中会在store initOk = true 前面加一道StoreStore内存屏障，在其后面加一道StoreLoad内存屏障，再结合上一篇我们讲过内存屏障如何禁止指令重排序的那个图：

所以通过volatile修饰initOK，加了屏障之后；store initOK = true这一条指令是不能跳到store dataSource、store http前面去的，所以必须先执行完前面的执行之后，才能执行store initOK = true。
这样对于线程B来说，它看到线程A就是资源初始化完成之后，才将initOK表示设置为true的，这样它看到线程A的执行就是有序的。
这个volatile写的时候前面加StoreStore屏障、写的后面加StoreLoad屏障来禁止重排序的，就是通过加了屏障，store initOK = true 指令不能跟前面的store指令进行交换。所以它就自然得等前面的store指令执行完了之后，才执行store initOK = true的,然后在线程B那一侧看到的initOK = true的时候，发现资源以及初始化好了，自然就不会报错了。

4  volatile为啥不能保证原子性

按照惯例，我们来画张图，还是以 x++ 的那个例子为例，volatile  int x = 0，假如两个线程A、线程B同时对 x 进行 ++ 操作如下：

上图存在一种情况就是，线程A、线程B如果几乎同时读取 x = 0 到自己的工作内存中。
线程A执行 x++ 结果后将 x = 1 赋值给工作内存；但是这个时候还没来的将最新的结果刷新回主内存的时候，线程B就使用读取主内存的旧值 x = 0 ，然后执行use指令将 x = 0的值传递给线程B去进行操作了。即使这个时候线程A立即将 x = 1刷入主内存，那也晚了；线程B已经使用旧值 x = 0进行操作了，像这种情况计算结果就不对了。

如果要保证原子性的话，落到底层实际还是需要进行加锁的，需要保证任意时刻只能有一个线程能执行成功。

比如在硬件层次或者对总线进行加锁，使得某一时刻只能有一个线程能执行x++操作，这样才能是不被中断的，才是原子性的。
现在现在这种情况，相当于就是两个线程同时进行了 x++操作，线程A的 x++操作还没结束；线程B的 i++操作就也同时进行着，这种情况不是原子的。

如果要保证原子性的话，同一时刻只能有一个线程或者CPU能够执行成功，底层是需要对硬件进行加锁的，只有某个CPU或者线程锁定了，享有独占的权限，那么它的操作才能是不被其它CPU或者线程打断的。

5  小结

这节我们简单看了内存屏障是如何保证有序性和可见性的，以及原子性不可保证的原因，有理解不对的地方欢迎指正哈。