Volatile 原理六：图解指令重排

指令重排的例子

设想一下这种场景：定义了变量 num=0 和变量 flag=false，线程 1 调用初始化函数 init()执行后，线程调用 add()方法，当另外线程判断 flag=true 后，执行 num+100 操作，那么我们预期的结果是 num 会等于 101，但因为有指令重排的可能，num=1 和 flag=true 执行顺序可能会颠倒，以至于 num 可能等于 100

public class VolatileResort {    static int num = 0;    static boolean flag = false;    public static void init() {        num= 1;        flag = true;    }    public static void add() {        if (flag) {            num = num + 5;            System.out.println("num:" + num);        }    }    public static void main(String[] args) {        init();        new Thread(() -> {            add();        },"子线程").start();    }}

先看线程 1 中指令重排：

num= 1;flag = true; 的执行顺序变为 flag=true;num = 1;，如下图所示的时序图

如果线程 2 num=num+5 在线程 1 设置 num=1 之前执行，那么线程 2 的 num 变量值为 5。如下图所示的时序图。

8.4 volatile 怎么实现禁止指令重排？

我们使用 volatile 定义 flag 变量：

static volatile boolean flag = false;

如何实现禁止指令重排：

原理：在 volatile 生成的指令序列前后插入内存屏障（Memory Barries）来禁止处理器重排序。

有如下四种内存屏障：

volatile 写的场景如何插入内存屏障：

• 在每个 volatile 写操作的前面插入一个 StoreStore 屏障（写-写 屏障）。

• 在每个 volatile 写操作的后面插入一个 StoreLoad 屏障（写-读 屏障）。

StoreStore 屏障可以保证在 volatile 写（flag 赋值操作 flag=true）之前，其前面的所有普通写（num 的赋值操作 num=1) 操作已经对任意处理器可见了，保障所有普通写在 volatile 写之前刷新到主内存。

volatile 读场景如何插入内存屏障：

• 在每个 volatile 读操作的后面插入一个 LoadLoad 屏障（读-读 屏障）。

• 在每个 volatile 读操作的后面插入一个 LoadStore 屏障（读-写 屏障）。

LoadStore 屏障可以保证其后面的所有普通写（num 的赋值操作 num=num+5) 操作必须在 volatile 读（if(flag)）之后执行。

作者简介：悟空，8 年一线互联网开发和架构经验，用故事讲解分布式、架构设计、Java 核心技术。《JVM 性能优化实战》专栏作者，开源了《Spring Cloud 实战 PassJava》项目，公众号：`悟空聊架构`。本文已收录至 www.passjava.cn