'volatile' 是否保证任何线程都读取最近写入的值？

Question

来自《Effective Java》一书：

虽然 volatile 修饰符不执行互斥，但它保证读取该字段的任何线程都会看到最近写入的值

SO 和许多其他来源声称类似的事情。

这是真的吗？

我的意思是真的，不是一个足够接近的模型，或者只在 x86 上是真的，或者只在 Oracle JVM 中，或者不是标准英语解释的“最近编写的”的一些定义......

其他消息来源 (SO example) 表示 Java 中的 volatile 类似于 C++ 中的获取/释放语义。我认为do not 提供了报价的保证。

我发现在JLS 17.4.4 中它说“对 volatile 变量 v（第 8.3.1.4 节）的写入与任何线程对 v 的所有后续读取同步（其中“后续”是根据同步顺序定义的） )。”但我不太明白。

有相当多的来源支持和反对这一点，所以我希望答案能够说服其中许多（在任何一方）确实是错误的 - 例如参考或规范，或反例代码。

Answer 1

这不是真的。 JMM 基于顺序一致性，对于顺序一致性，不能保证实时排序；为此，您需要线性化。换句话说，只要程序顺序没有被违反（或者只要不能证明 po 被违反），读取和写入就可以倾斜。

读取 volatile 变量 a，需要在内存顺序中查看在它之前的最新写入值。但这并不意味着实时排序。

关于该主题的好读物： https://concurrency-interest.altair.cs.oswego.narkive.com/G8KjyUtg/relativity-of-guarantees-provided-by-volatile.

我会把它具体化：

假设有 2 个 CPU 和（易失性）变量 A，初始值为 0。CPU1 执行存储 A=1，CPU2 执行 A 加载。两个 CPU 的缓存线都包含处于 SHARED 状态的 A。

存储首先被推测执行并写入存储缓冲区；最终存储提交并退出，但由于存储的值仍在存储缓冲区中； CPU2 还看不到它。到目前为止，cacheline 不需要处于 EXCLUSIVE/MODIFIED 状态，因此 CPU2 上的 cacheline 仍然包含旧值，因此 CPU2 仍然可以读取旧值。

所以在实时顺序中，A 的写入顺序在 A=0 的读取之前，但在同步顺序中，A=1 的写入顺序在 A=0 的读取之后。

仅当存储离开存储缓冲区并想要进入 L1 缓存时，所有权请求 (RFO) 才会发送到所有其他 CPU，这些 CPU 将包含 A 的缓存行设置为 CPU2 上的 INVALID（RFO 预取，我将省略的讨论）。如果 CPU2 现在读取 A，则可以保证看到 A=1（请求将阻塞，直到 CPU1 完成对 L1 缓存的存储）。

在确认 RFO 时，缓存行在 CPU1 上设置为 MODIFIED，并且存储被写入 L1 缓存。

因此，在执行/退出存储与另一个 CPU 可见之间有一段时间。但确定这一点的唯一方法是在 CPU 中添加特殊的测量设备。

我相信无效队列的读取端可能会发生类似的延迟效果。

实际上，这不会成为问题，因为存储缓冲区的容量有限，最终需要耗尽（因此写入不能无限期地不可见）。因此，在日常使用中，您可以说 volatile 读取会读取最近的写入。

java volatile write/read 提供 release/acquire 语义，但请记住，volatile write/read 比 release/acquire 语义更强。易失性写入/读取是顺序一致的，而释放/获取语义则不是。

Answer 2

就试图证明的内容而言，引用本身是正确的，但从更广泛的角度来看它是不正确的。

至少在我的理解中，它试图区分sequential consistency 和release/acquire semantics。这两个术语之间的区别相当“细微”，但非常重要。我试图简化this answer或here开头的区别。

作者试图说volatile 提供sequential consistency，正如所暗示的那样：

"...它保证任何线程.."

如果你看JLS，它有这句话：

对 volatile 字段（第 8.3.1.4 节）的写入发生在对该字段的每次后续读取之前。

棘手的部分是后续及其含义，并且已经在here进行了讨论。真正想要的意思是“观察那个写的后续”。因此，当 reader 观察到 writer 写入的值时，happens-before 得到保证。

这已经意味着在下一次读取时不一定会看到写入，这可能是允许推测执行的情况。所以在这方面，引用是误导性的。

你找到的报价：

对 volatile 变量 v（第 8.3.1.4 节）的写入与任何线程对 v 的所有后续读取同步（其中“后续”根据同步顺序定义）

如果没有更广泛的背景，理解起来很复杂。简单来说，它在两个线程之间建立了synchronizes-with 顺序（隐含happens-before），其中volatile v 变量是一个共享 变量。 here is an answer 这有更广泛的解释，因此应该更有意义。

Answer 3

这是真的吗？

我的意思是真的，不是一个足够接近的模型，或者仅在 x86 上是真的，或者仅在 Oracle JVM 中，或者不是标准英语解释的“最近编写”的一些定义......

是的，至少从某种意义上说，Java 的正确实现可以为您提供这种保证。

除非您使用一些奇特的、实验性的 Java 编译器/JVM (*)，否则您基本上可以认为这是真的。

来自JLS 17.4.5：

对 volatile 字段（第 8.3.1.4 节）的写入发生在对该字段的每次后续读取之前。

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(*) 作为Stephen Cpoints out，这种没有实现语言规范中描述的内存模型语义的奇异实现不能有用地（甚至合法地）描述为“Java”。