volatile 线程的有序性

单线程串行指令执行情况

单线程中执行指令是按顺序去执行的，也就是说每条完整的指令都会这样去执行。

指令排序优化

多核CPU可以做到：多级指令流水线型，支持同时执行多条指令（并行），类似这样：

在蓝底中就表示CPU可以在同时执行多条指令，在JVM中针对这种多条指令执行可能会存在重排优化：

int a = 10; // 指令1
int b = 20; // 指令2

它可能会上下颠倒顺序，这两条指令是无依赖性的，所以并不会出现什么异常。

接下来我们看一个可能会出现异常的指令排序例子，这个例子需要借助：JCStress工具。

JCStress工具

JCStress是OpenJDK中的一个高并发测试工具，它可以帮助我们研究在高并发场景下JVM，类库以及硬件等状况。

依赖

<dependencies>
    <dependency>
        <groupId>org.openjdk.jcstress</groupId>
        <artifactId>jcstress-core</artifactId>
        <version>0.3</version>
    </dependency>
    <dependency>
        <groupId>org.openjdk.jcstress</groupId>
        <artifactId>jcstress-samples</artifactId>
        <version>0.3</version>
    </dependency>
</dependencies>

测试 线程有序性的错误

@JCStressTest // 标记此类为一个并发测试类
@Outcome(id = {"0"}, expect = Expect.ACCEPTABLE_INTERESTING, desc = "错误结果") // 描述测试结果
@Outcome(id = {"-1", "5"}, expect = Expect.ACCEPTABLE, desc = "正常结果") // 描述测试结果
@State //标记此类是有状态的
public class TestInstructionReorder {

    private boolean flag;
    private int x;

    public TestInstructionReorder() {}

    @Actor
    public void actor1(I_Result r) {
        if (flag) {
            r.r1 = x;
        } else {
            r.r1 = -1;
        }
    }

    @Actor
    public void actor2(I_Result r) {
        this.x = 5;
        flag = true;
    }
}

测试结果：

在测试结果中出现了：0，这个错误结果，出现0的原因就是因为指令重排导致的：

this.x = 5;
flag = true;

会变成：

flag = true;
this.x = 5;

在下面代码中，会先判断flag，而此时x还未赋值是0，所以会导致出现的结果为0

if (flag) {
    r.r1 = x; 
} else {
    r.r1 = -1;
}

解决方法 - volatile

注意：无法解决多线程之间的指令交错，只能保证本线程的有序性。

使用volatile关键字来修饰变量，原因是：volatile底层是使用一种内存屏障技术。

private volatile boolean flag ;

内存屏障技术：

• 写屏障：对volatile变量进行修改（写指令）会加入写屏障
• 读屏障：对volatile变量进行读取（读指令）会加入读屏障

写屏障

保证在该屏障之前，对共享变量的改动都同步到主存中；而且之前的指令不会进行重排。

这里的 flag 和 x 都是共享变量，他们两个都会被同步到主存中。

private volatile boolean flag ; // 对flag 加上 volatile

@Actor
public void actor2(I_Result r) {
    this.x = 5;
    flag = true;
    // 加入写屏障
}

读屏障

保证在该屏障之后，对共享变量的读取，加载的都是主存中最新数据；而且之后的指令不会进行重排。

@Actor
public void actor1(I_Result r) {
    // 加入读屏障
    if (flag) {
        r.r1 = x;
    } else {
        r.r1 = -1;
    }
}