Java并发杂谈（一）：volatile的底层原理，从字节码到CPU

时间：2024-10-03 07:03:25

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volatile的特性

volatile是Java中用于修饰变量的关键字，其主要是保证了该变量的可见性以及顺序性，但是没有保证原子性；其是Java中最为轻量级的同步关键字；
接下来我将会一步步来分析volatile关键字是如何在Java代码层面、字节码层面、JVM源码层次、汇编层面、操作系统层面、CPU层面来保证可见性和顺序性的；

Java代码层面

当一个变量被定义为volatile之后，具备两项特性：

  1. 保证此变量对所有线程的可见性
  2. 禁止指令重排序优化

volatile所保证的可见性

volatile所修饰的变量在一条线程修改一个变量的值的时候，新值对于其他线程来说是可以立即知道的；
普通变量的值在线程间传递的时候都是通过主内存去完成；

根据JMM我们可以知道，每一个线程其实都有它单独的栈空间，而实际的对象其实都是存放在主内存中的，所以如果是普通对象的话，便会有一个栈空间的对象与主内存中的对象存在差异的时间；而volatile所修饰的变量其保持了可见性，其会强制让栈空间所存在的对应变量失效，然后从主内存强制刷新到栈空间，如此便每次看到的都是最新的数据；

volatile所保证的禁止指令重排

Java的每一行语句其实都对应了一行或者多行字节码语句，而每一行字节码语句又对应了一行或者多行汇编语句，而每一行汇编语句又对应了一行或者多行机器指令；但是CPU的指令优化器可能会对其指令顺序进行重排，优化其运行效率，但是这样也可能会导致并发问题；而volatile便可以强制禁止优化指令重排；

volatile在字节码层面的运用

我们先看到以下代码

点击查看代码

public class Main {
        static int a ;
        static volatile int b ;
        public static synchronized void change(int num) {
                num = 0;
        }

        public static void main(String[] args) {
                a = 10;
                b = 20;
                change(a);
        }
}
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我们先试用javac来将java文件编译为class文件，然后通过javap -v来反编译；

点击查看代码

Classfile /opt/software/java-study/
  Last modified Mar 1, 2022; size 400 bytes
  MD5 checksum c7691713c9365588495a60da768c32a6
  Compiled from ""
public class Main
  SourceFile: ""
  minor version: 0
  major version: 51
  flags: ACC\_PUBLIC, ACC\_SUPER
Constant pool:
   #1 = Methodref #6.#20 // java/lang/Object."":()V
   #2 = Fieldref #5.#21 // :I
   #3 = Fieldref #5.#22 // :I
   #4 = Methodref #5.#23 // :(I)V
   #5 = Class #24 // Main
   #6 = Class #25 // java/lang/Object
   #7 = Utf8 a
   #8 = Utf8 I
   #9 = Utf8 b
  #10 = Utf8 
  #11 = Utf8 ()V
  #12 = Utf8 Code
  #13 = Utf8 LineNumberTable
  #14 = Utf8 change
  #15 = Utf8 (I)V
  #16 = Utf8 main
  #17 = Utf8 ([Ljava/lang/String;)V
  #18 = Utf8 SourceFile
  #19 = Utf8 
  #20 = NameAndType #10:#11 // "":()V
  #21 = NameAndType #7:#8 // a:I
  #22 = NameAndType #9:#8 // b:I
  #23 = NameAndType #14:#15 // change:(I)V
  #24 = Utf8 Main
  #25 = Utf8 java/lang/Object
{
  static int a;
    flags: ACC\_STATIC

  static volatile int b;
    flags: ACC\_STATIC, ACC\_VOLATILE

  public Main();
    flags: ACC\_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args\_size=1
         0: aload\_0       
         1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."":()V
         4: return        
      LineNumberTable:
        line 1: 0

  public static synchronized void change(int);
    flags: ACC\_PUBLIC, ACC\_STATIC, ACC\_SYNCHRONIZED
    Code:
      stack=1, locals=1, args\_size=1
         0: iconst\_0      
         1: istore\_0      
         2: return        
      LineNumberTable:
        line 5: 0
        line 6: 2

  public static void main([]);
    flags: ACC\_PUBLIC, ACC\_STATIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args\_size=1
         0: bipush        10
         2: putstatic     #2 // Field a:I
         5: bipush        20
         7: putstatic     #3 // Field b:I
        10: getstatic     #2 // Field a:I
        13: invokestatic  #4 // Method change:(I)V
        16: return        
      LineNumberTable:
        line 9: 0
        line 10: 5
        line 11: 10
        line 12: 16
}
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我们仔细观察加了volatile修饰的变量与其他变量的区别便可以看出，其主要是在flags中添加了一个ACC_VOLATILE；同时先进行putstatic指令；

volatile在JVM源码方面的运用

在JVM源码方面，我编译了OpenJDK7然后利用find与grep进行全局查找，然后进行方法追踪，由于涉及到大量C++的知识，我便跳过其C++代码追踪，而直接看最后追踪到的函数；

先来做一个总结，其实volatile的JVM源码的原理对应的是被称为内存屏障来实现的；

点击查看代码

static void loadload();
static void storestore();
static void loadstore();
static void storeload();
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这四个分别对应了经常在书中看到的JSR规范中的读写屏障

  • LoadLoad屏障：（指令Load1; LoadLoad; Load2），在Load2及后续读取操作要读取的数据被访问前，保证Load1要读取的数据被读取完毕。
  • LoadStore屏障：（指令Load1; LoadStore; Store2），在Store2及后续写入操作被刷出前，保证Load1要读取的数据被读取完毕。
  • StoreStore屏障：（指令Store1; StoreStore; Store2），在Store2及后续写入操作执行前，保证Store1的写入操作对其它处理器可见。
  • StoreLoad屏障：（指令Store1; StoreLoad; Load2），在Load2及后续所有读取操作执行前，保证Store1的写入对所有处理器可见。它的开销是四种屏障中最大的。在大多数处理器的实现中，这个屏障是个万能屏障，兼具其它三种内存屏障的功能

对于volatile操作而言，其操作步骤如下：

  • 每个volatile写入之前，插入一个StoreStore，写入以后插入一个StoreLoad
  • 每个volatile读取之前，插入一个LoadLoad，读取之后插入一个LoadStore

在JVM源码层次而言，内存屏障直接起到了禁止指令重排的作用，且之后与总线锁或者MESI协议配合实现了可见性；

汇编层次

在汇编层次而言，我是使用JITWatch配合hsdis进行的转汇编，可以发现在含有volatile的变量的时候，汇编指令会有一个lock前缀，而lock前缀在CPU层次中自己实现了内存屏障的功能；

CPU层次

在x86的架构中，含有lock前缀的指令拥有两种方法实现；
一种是开销很大的总线锁，它会把对应的总线直接全部锁住，如此明显是不合理的；
所以后期intel引入了缓存锁以及mesi协议，如此便可以轻量化的实现内存屏障；

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