volatile底層實現原理

前言

當共享變量被聲明爲volatile後，對這個變量的讀/寫操做都會很特別，下面咱們就揭開volatile的神祕面紗。

1.volatile的內存語義

1.1 volatile的特性

一個volatile變量自身具備如下三個特性：

1. 可見性：即當一個線程修改了聲明爲volatile變量的值，新值對於其餘要讀該變量的線程來講是當即可見的。而普通變量是不能作到這一點的，普通變量的值在線程間傳遞須要經過主內存來完成。

2. 有序性：volatile變量的所謂有序性也就是被聲明爲volatile的變量的臨界區代碼的執行是有順序的，即禁止指令重排序。

3. 受限原子性：這裏volatile變量的原子性與synchronized的原子性是不一樣的，synchronized的原子性是指只要聲明爲synchronized的方法或代碼塊兒在執行上就是原子操做的。而volatile是不修飾方法或代碼塊兒的，它用來修飾變量，對於單個volatile變量的讀/寫操做都具備原子性，但相似於volatile++這種複合操做不具備原子性。因此volatile的原子性是受限制的。而且在多線程環境中，volatile並不能保證原子性。

1.2 volatile寫-讀的內存語義

volatile寫的內存語義：當寫線程寫一個volatile變量時，JMM會把該線程對應的本地內存中的共享變量值刷新到主內存。

volatile讀的內存語義：當讀線程讀一個volatile變量時，JMM會把該線程對應的本地內存置爲無效，線程接下來將從主內存讀取共享變量。

2.volatile語義實現原理

在介紹volatile語義實現原理以前，咱們先來看兩個與CPU相關的專業術語：

• 內存屏障（memory barriers）：一組處理器指令，用於實現對內存操做的順序限制。
• 緩存行（cache line）：CPU高速緩存中能夠分配的最小存儲單位。處理器填寫緩存行時會加載整個緩存行。

2.1 volatile可見性實現原理

volatile可見性的內存語義是如何實現的呢？下面咱們看一段代碼，並將代碼生成的處理器的彙編指令打印出來（關於如何打印彙編指令，我會在文章末尾附上），看下對volatile變量進行寫操做時，CPU會作什麼事情：

public class VolatileTest {

    private static volatile VolatileTest instance = null;

    private VolatileTest(){}

    public static VolatileTest getInstance(){
        if(instance == null){
            instance = new VolatileTest();
        }

        return instance;
    }

    public static void main(String[] args) {
        VolatileTest.getInstance();
    }
}

以上的代碼是一個咱們很是熟悉的在多線程環境中不能保證線程安全的單例模式代碼，這段代碼中特殊的地方是，我將實例變量instance加上了volatile修飾，下面看打印的彙編指令：

上面截圖中，咱們看到我劃線的一行的末尾有一句彙編註釋：putstatic instance，瞭解JVM 字節碼指令的小夥伴都知道，putstatic的含義是給一個靜態變量設置值，在上述代碼中也就是給靜態變量instance賦值，對應代碼：instance = new VolatileTest();在getInstance方法中爲instance實例化，由於instance加了volatile修飾，因此給靜態變量instance設置值也是在寫一個volatile變量。

看到上述有彙編指令，也有字節碼指令，你們會不會混淆這兩種指令，這裏我指明一下字節碼指令和彙編指令的區別：

咱們都知道java是一種跨平臺的語言，那麼java是如何實現這種平臺無關性的呢？這就須要咱們瞭解JVM和java的字節碼文件。這裏咱們須要有一點共識，就是任何一門編程語言都須要轉換爲與平臺相關的彙編指令纔可以最終被硬件執行，好比C和C++都將咱們的源代碼直接編譯成與CPU相關的彙編指令給CPU執行。 不一樣系列的CPU的體系架構不一樣，因此它們的彙編指令也有不一樣，好比X86架構的CPU對應於X86彙編指令，arm架構的CPU對應於arm彙編指令。若是將程序源代碼直接編譯成與硬件相關的底層彙編指令，那麼程序的跨平臺性也就大打折扣，但執行性能相對較高。爲了實現平臺無關性，java的編譯器javac並非將java的源程序直接編譯成與平臺相關的彙編指令，而是編譯成一種中間語言，即java的class字節碼文件。字節碼文件，顧名思義存的就是字節碼，即一個一個的字節。有打開過java字節碼文件研讀過的小夥伴可能會發現，字節碼文件裏面存的並非二進制，而是十六進制，這是由於二進制太長了，一個字節要由8位二進制組成。因此用十六進制標表示，兩個十六進制就能夠表示一個字節。java源碼編譯後的字節碼文件是不可以直接被CPU執行的，那麼該如何執行呢？答案是JVM，爲了讓java程序可以在不一樣的平臺上執行，java官方提供了針對於各個平臺的java虛擬機，JVM運行於硬件層之上，屏蔽各類平臺的差別性。javac編譯後的字節碼文件統一由JVM來加載，最後再轉化成與硬件相關的機器指令被CPU執行。知道了經過JVM來加載字節碼文件，那麼還有一個問題，就是JVM如何將字節碼中的每一個字節和咱們寫的java源代碼相關聯，也就是JVM如何知道咱們寫的java源代碼對應於class文件中的哪段十六進制，這段十六進制是幹什麼的，執行了什麼功能？而且一大堆的十六進制，咱們也看不懂啊。因此這就須要定義一個JVM層面的規範，在JVM層面抽象出一些咱們可以認識的指令助記符，這些指令助記符就是java的字節碼指令。

再看上面的截圖，當寫instance這個volatile變量時，發現add前面加個一個lock指令，我在截圖中框了出來，如何不加volatile修飾，是沒有lock的。

lock指令在多核處理器下會引起下面的事件：

將當前處理器的緩存行的數據寫回到系統內存，同時使其餘CPU裏緩存了該內存地址的數據置爲無效。

爲了提升處理速度，處理器通常不直接和內存通訊，而是先將系統內存的數據讀到內部緩存後再進行操做，但操做完成後並不知道處理器什麼時候將緩存數據寫回到內存。但若是對加了volatile修飾的變量進行寫操做，JVM就會向處理器發送一條lock前綴的指令，將這個變量在緩存行的數據寫回到系統內存。這時只是寫回到系統內存，但其餘處理器的緩存行中的數據仍是舊的，要使其餘處理器緩存行的數據也是新寫回的系統內存的數據，就須要實現緩存一致性協議。即在一個處理器將本身緩存行的數據寫回到系統內存後，其餘的每一個處理器就會經過嗅探在總線上傳播的數據來檢查本身緩存的數據是否已過時，當處理器發現本身緩存行對應的內存地址的數據被修改後，就會將本身緩存行緩存的數據設置爲無效，當處理器要對這個數據進行修改操做的時候，會從新從系統內存中把數據讀取到本身的緩存行，從新緩存。

總結下：volatile可見性的實現就是藉助了CPU的lock指令，經過在寫volatile的機器指令前加上lock前綴，使寫volatile具備如下兩個原則：

1. 寫volatile時處理器會將緩存寫回到主內存。
2. 一個處理器的緩存寫回到內存會致使其餘處理器的緩存失效。

2.2 volatile有序性的實現原理

volatile有序性的保證就是經過禁止指令重排序來實現的。指令重排序包括編譯器和處理器重排序，JMM會分別限制這兩種指令重排序。

那麼禁止指令重排序又是如何實現的呢？答案是加內存屏障。JMM爲volatile加內存屏障有如下4種狀況：

1. 在每一個volatile寫操做的前面插入一個StoreStore屏障，防止寫volatile與後面的寫操做重排序。
2. 在每一個volatile寫操做的後面插入一個StoreLoad屏障，防止寫volatile與後面的讀操做重排序。
3. 在每一個volatile讀操做的後面插入一個LoadLoad屏障，防止讀volatile與後面的讀操做重排序。
4. 在每一個volatile讀操做的後面插入一個LoadStore屏障，防止讀volatile與後面的寫操做重排序。

上述內存屏障的插入策略是很是保守的，好比一個volatile的寫操做後面須要加上StoreStore和StoreLoad屏障，但這個寫volatile後面可能並無讀操做，所以理論上只加上StoreStore屏障就能夠，的確，有的處理器就是這麼作的。但JMM這種保守的內存屏障插入策略可以保證在任意的處理器平臺，volatile變量都是有序的。

3.JSR-133對volatile內存語義的加強

在JSR-133以前的舊的java內存模型中，雖然不容許對volatile變量之間的操做進行重排序，但容許對volatile變量與普通變量之間進行重排序。好比內存屏障前面是一個寫volatile變量的操做，內存屏障後面的操做是一個寫普通變量的操做，即便這兩個寫操做可能會破壞volatile內存語義，但JMM是容許這兩個操做進行重排序的。

在JSR-133以及後面的新的java內存模型中，加強了volatile的內存語義。只要volatile變量與普通變量之間的重排序可能會破壞volatile的內存語義，這種重排序就會被編譯器重排序規則和處理器內存屏障出入策略禁止。

附：配置idea打印彙編指令

工具包下載地址：連接：https://pan.baidu.com/s/11yRnsOHca5EVRfE9gAuVxA
提取碼：gn8z

將下載的工具包解壓，複製到jdk安裝目錄的jre路徑下的bin目錄中，如圖：

而後配置idea，在 VM options 選項中輸入：-server -Xcomp -XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX:+PrintAssembly -XX:CompileCommand=compileonly,*類名.方法名

JRE選項選擇已放入工具包的jre路徑。

下圖是個人idea配置：

以上配置好後運行就能夠打印彙編指令了。