Volatile关键字可见性失效？内存屏障lfence/sfence在JMM中的happens-before验证

各位同学，大家好！今天我们来深入探讨一个在并发编程中经常遇到的问题：volatile关键字的可见性失效，以及如何利用内存屏障lfence和sfence来确保正确的happens-before关系，从而解决这个问题。

一、volatile关键字与可见性

volatile关键字是Java并发编程中一个非常重要的工具，它的主要作用有两个：

确保可见性： 当一个变量被声明为volatile时，所有线程都会立即看到对该变量的最新修改。也就是说，当一个线程修改了volatile变量的值，这个新值会立即刷新到主内存，并且其他线程在读取这个变量时，会从主内存中读取最新的值，而不是从自己的缓存中读取。
禁止指令重排序： volatile关键字会阻止编译器和处理器对volatile变量的读写操作进行重排序。这对于保证并发程序的正确性至关重要。

看似有了volatile，就可以解决所有线程安全问题，但事实并非如此。volatile只能保证单个volatile变量的可见性和原子性（禁止重排序），但不能保证复合操作的原子性。

二、volatile可见性失效的场景

考虑以下代码：

public class VolatileExample {
    private volatile int counter = 0;

    public void increment() {
        counter++; // 复合操作：读取 -> 增加 -> 写入
    }

    public int getCounter() {
        return counter;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        VolatileExample example = new VolatileExample();

        Thread[] threads = new Thread[10];
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            threads[i] = new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                    example.increment();
                }
            });
            threads[i].start();
        }

        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            threads[i].join();
        }

        System.out.println("Counter value: " + example.getCounter());
    }
}

在这个例子中，counter变量被声明为volatile，按理说，10个线程每个执行1000次increment()操作，最终counter的值应该等于10000。但是，实际运行结果往往小于10000。

为什么会这样？

问题在于counter++不是一个原子操作。它实际上包含了三个步骤：

读取counter的值。
将counter的值加1。
将新的值写回counter。

即使counter是volatile的，也不能保证这三个步骤的原子性。当多个线程同时执行increment()操作时，可能会发生以下情况：

线程A读取counter的值（假设为10）。
线程B也读取counter的值（也为10，因为线程A还未写回）。
线程A将counter的值加1，并将11写回counter。
线程B也将counter的值加1，并将11写回counter。

结果是，counter的值只增加了1，而不是2。这就是volatile可见性失效的典型例子，尽管保证了可见性，但是在复合操作中由于原子性问题，导致数据不一致。

三、Java内存模型（JMM）与happens-before关系

为了更好地理解volatile关键字的作用以及为什么会出现可见性失效，我们需要了解Java内存模型（JMM）。JMM是Java虚拟机规范中定义的一种抽象模型，它描述了Java程序中各个变量（线程共享变量）的访问规则，以及在并发环境下如何保证内存可见性。

JMM的关键概念是happens-before关系。happens-before关系是一种偏序关系，用于描述两个操作之间的可见性。如果一个操作happens-before另一个操作，那么第一个操作的结果对于第二个操作是可见的。也就是说，第一个操作对内存的修改保证在第二个操作之前发生。

JMM定义了以下happens-before规则：

程序顺序规则： 在一个线程中，按照程序代码的顺序，书写在前面的操作happens-before书写在后面的操作。
管程锁定规则： 对一个锁的解锁happens-before后续对这个锁的加锁。
volatile变量规则： 对一个volatile变量的写操作happens-before后续对这个volatile变量的读操作。
线程启动规则： Thread对象的start()方法happens-before该线程中的任何操作。
线程终止规则： 线程中的所有操作happens-before该线程的终止（可以通过Thread.join()方法检测到）。
线程中断规则： 对线程interrupt()方法的调用happens-before被中断线程的代码检测到中断事件的发生。
对象终结规则： 一个对象的初始化完成（构造函数执行结束）happens-before该对象的finalize()方法的开始。
传递性： 如果A happens-before B，且B happens-before C，那么A happens-before C。

回到volatile的例子，虽然volatile变量规则保证了对counter的读写操作的可见性，但是它并不能保证counter++这个复合操作的原子性，因此无法建立正确的happens-before关系。

四、内存屏障（Memory Barriers）

为了解决复合操作的原子性问题，我们需要使用内存屏障。内存屏障是一种CPU指令，它可以强制CPU按照特定的顺序执行指令，从而保证内存的可见性和有序性。

内存屏障分为以下几种类型：

LoadLoad屏障： 保证Load1指令的数据加载先于Load2指令的数据加载。
StoreStore屏障： 保证Store1指令的数据写入先于Store2指令的数据写入。
LoadStore屏障： 保证Load1指令的数据加载先于Store2指令的数据写入。
StoreLoad屏障： 保证Store1指令的数据写入先于Load2指令的数据加载。StoreLoad屏障是最强的屏障，因为它会刷新所有缓存，并且会使流水线中的所有指令都等待完成。

在x86架构中，有两个常用的指令可以作为内存屏障：

lfence (Load Fence)： 读屏障，保证所有在此屏障之前的读操作都已经完成，并且所有在此屏障之后的读操作都必须从主内存中读取。
sfence (Store Fence)： 写屏障，保证所有在此屏障之前的写操作都已经完成，并且所有在此屏障之后的写操作都必须写入到主内存中。
mfence (Memory Fence)： 全局内存屏障，既可以保证读操作的顺序，也可以保证写操作的顺序。

五、使用lfence/sfence解决volatile可见性失效

虽然Java本身并没有直接暴露lfence和sfence指令，但是我们可以通过一些技巧来模拟它们的效果。例如，我们可以使用Unsafe类来直接操作内存，或者使用sun.misc.VM.orderAccess等方法。然而，这些方法通常不推荐使用，因为它们可能会导致平台依赖性和安全问题。

更常见的做法是使用synchronized关键字或java.util.concurrent包中的原子类。synchronized关键字可以保证互斥性和可见性，而原子类则提供了原子操作，可以保证复合操作的原子性。

5.1 使用synchronized关键字

public class SynchronizedExample {
    private int counter = 0;

    public synchronized void increment() {
        counter++;
    }

    public int getCounter() {
        return counter;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        SynchronizedExample example = new SynchronizedExample();

        Thread[] threads = new Thread[10];
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            threads[i] = new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                    example.increment();
                }
            });
            threads[i].start();
        }

        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            threads[i].join();
        }

        System.out.println("Counter value: " + example.getCounter());
    }
}

在这个例子中，increment()方法被声明为synchronized，这意味着每次只有一个线程可以执行该方法。synchronized关键字不仅保证了互斥性，还保证了可见性。当一个线程进入synchronized块时，它会从主内存中读取变量的值；当一个线程退出synchronized块时，它会将变量的值写回主内存。

5.2 使用原子类

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class AtomicExample {
    private AtomicInteger counter = new AtomicInteger(0);

    public void increment() {
        counter.incrementAndGet();
    }

    public int getCounter() {
        return counter.get();
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        AtomicExample example = new AtomicExample();

        Thread[] threads = new Thread[10];
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            threads[i] = new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                    example.increment();
                }
            });
            threads[i].start();
        }

        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            threads[i].join();
        }

        System.out.println("Counter value: " + example.getCounter());
    }
}

在这个例子中，counter变量被声明为AtomicInteger，它提供了原子操作incrementAndGet()，可以保证counter++这个复合操作的原子性。AtomicInteger内部使用CAS（Compare-and-Swap）算法来实现原子操作，CAS算法是一种乐观锁机制，它假设多个线程不会同时修改同一个变量，因此不需要使用锁。

六、happens-before关系的验证

无论是使用synchronized关键字还是原子类，都可以建立正确的happens-before关系，从而保证程序的正确性。

使用synchronized关键字： 对synchronized块的解锁happens-before后续对这个synchronized块的加锁。这意味着，一个线程对counter的修改，对于后续进入synchronized块的线程是可见的。
使用原子类： 原子类的incrementAndGet()方法内部会使用内存屏障来保证原子性和可见性。例如，在x86架构中，AtomicInteger的incrementAndGet()方法可能会使用lock addl指令，该指令会同时具有原子性和内存屏障的作用。

七、内存屏障的模拟实现 (仅供理解，不推荐实际使用)

为了更好地理解内存屏障的作用，我们可以尝试模拟实现一个简单的内存屏障。需要注意的是，这种模拟实现通常不具备真正的内存屏障的效果，只能用于学习和理解。

import sun.misc.Unsafe;
import java.lang.reflect.Field;

public class MemoryBarrierExample {

    private static final Unsafe unsafe;
    private static final long valueOffset;
    private volatile int value = 0;

    static {
        try {
            Field theUnsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
            theUnsafe.setAccessible(true);
            unsafe = (Unsafe) theUnsafe.get(null);

            valueOffset = unsafe.objectFieldOffset(MemoryBarrierExample.class.getDeclaredField("value"));

        } catch (Exception e) {
            throw new Error(e);
        }
    }

    public int getValue() {
        // 模拟 lfence
        unsafe.loadFence(); // 确保读取操作从主内存加载
        return value;
    }

    public void setValue(int newValue) {
        value = newValue;
        // 模拟 sfence
        unsafe.storeFence(); // 确保写入操作刷新到主内存
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        MemoryBarrierExample example = new MemoryBarrierExample();
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            example.setValue(10);
            System.out.println("Thread 1 set value to 10");
        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            try {
                Thread.sleep(100); // 模拟延迟
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("Thread 2 read value: " + example.getValue());
        });

        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
    }
}

重要提示：

这段代码使用了Unsafe类，这是Java中的一个底层API，允许直接操作内存。使用Unsafe类需要非常小心，因为它可能会导致安全问题和平台依赖性。
unsafe.loadFence()和unsafe.storeFence()方法用于模拟lfence和sfence指令。但是，它们的实际效果可能因JVM和硬件平台而异。
不建议在生产环境中使用这种模拟实现。 应该优先使用synchronized关键字或java.util.concurrent包中的原子类。

八、总结一些思考

volatile关键字可以保证单个变量的可见性和禁止指令重排序，但是不能保证复合操作的原子性。为了解决复合操作的原子性问题，我们需要使用内存屏障或者更高级的并发工具，例如synchronized关键字和原子类。理解Java内存模型和happens-before关系对于编写正确的并发程序至关重要。始终选择安全可靠的并发编程方式，避免直接操作底层API。

Volatile关键字可见性失效？内存屏障lfence/sfence在JMM中的happens-before验证

发表回复 取消回复

发表回复取消回复