JVM系列之:從彙編角度分析Volatile

簡介

Volatile關鍵字對熟悉java多線程的朋友來講，應該很熟悉了。Volatile是JMM(Java Memory Model)的一個很是重要的關鍵詞。經過是用Volatile能夠實現禁止重排序和變量值線程之間可見兩個主要特性。

今天咱們從彙編的角度來分析一下Volatile關鍵字究竟是怎麼工做的。

重排序

這個世界上有兩種重排序的方式。

第一種，是在編譯器級別的，你寫一個java源代碼，通過javac編譯以後，生成的字節碼順序可能跟源代碼的順序不一致。

第二種，是硬件或者CPU級別的重排序，爲了充分利用多核CPU的性能，或者CPU自身的處理架構（好比cache line），可能會對代碼進行重排序。好比同時加載兩個非互相依賴的字段進行處理，從而提高處理速度。

咱們舉個例子：

public class TestVolatile {

    private static int int1;
    private static int int2;
    private static int int3;
    private static int int4;
    private static int int5;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i < 10000; i++)
        {
            increase(i);
        }
        Thread.sleep(1000);
    }

    private static void increase(int i){
        int1= i+1;
        int2= i+2;
        int3= i+3;
        int4= i+4;
        int5= i+5;
    }
}

上面例子中，咱們定義了5個int字段，而後在循環中對這些字段進行累加。

先看下javac編譯出來的字節碼的順序：

咱們能夠看到在設置值的過程當中是和java源代碼的順序是一致的，是按照int1,int2,int3,int4,int5的順序一個一個設置的。

而後咱們看一下生成的彙編語言代碼：

在運行是添加參數-XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX:+PrintAssembly -XX:-Inline，或者直接使用JIT Watcher。

從生成的代碼中，咱們能夠看到putstatic是按照int1,int5,int4,int3,int2的順序進行的，也就是說進行了重排序。

若是咱們將int2設置成爲Volatile，看看結果如何？

前方高能預警，請小夥伴們作好準備

咱們先看putstatic的順序，從註釋裏面，咱們只發現了putstatic int2, int3和int5。

且慢！咱們不是須要設置int1,int2,int3,int4,int5 5個值嗎？這裏怎麼只有3個。

要是沒有能獨立思考和獨立決定的有創造我的，社會的向上發展就不可想像 - 愛因斯坦

這裏是反編譯的時候註釋寫錯了！

讓咱們來仔細分析一下彙編代碼。

第一個紅框，不用懂彙編語言的朋友應該也能夠看懂，就是分別給r11d,r8d,r9d,ecx和esi這5個寄存器分別加1，2，3，4，5。

這也分別對應了咱們在increase方法中要作的事情。

有了這些寄存器的值，咱們再繼續往下看，從而能夠知道，第二個紅框實際上表示的就是putstatic int1,而最後一個紅框，表示的就是putstatic int4。

因此，你們必定要學會本身分析代碼。

5個putstatic都在，同時由於使用了volatile關鍵字，因此int2做爲一個分界點，不會被重排序。因此int1必定在int2以前，而int3,4,5必定在int2以後。

上圖的結果是在JIT Watcher中的C2編譯器的結果，若是咱們切換到C1編譯器：

此次結果沒錯，5個int都在，同時咱們看到這5個int竟然沒有重排序。

這也說明了不一樣的編譯器可能對重排序的理解程度是不同的。

寫的內存屏障

再來分析一下上面的putstatic int2:

lock addl $0x0,-0x40(%rsp)  ;*putstatic int2 {reexecute=0 rethrow=0 return_oop=0}

這裏使用了 lock addl指令，給rsp加了0。 rsp是SP (Stack Pointer) register，也就是棧指針寄存器。

給rsp加0，是否是很奇怪？

加0，雖然沒有改變rsp的值，可是由於前面加了lock，因此這個指令會被解析爲內存屏障。

這個內存屏障保證了兩個事情，第一，不會重排序。第二，全部的變量值都會回寫到主內存中，從而在這個指令以後，變量值對其餘線程可見。

固然，由於使用lock，可能對性能會有影響。

非lock和LazySet

上面咱們提到了volatile會致使生成lock指令。

但有時候，咱們只是想阻止重排序，對於變量的可見性並無那麼嚴格的要求。

這個時候，咱們就可使用Atomic類中的LazySet：

public class TestVolatile2 {

    private static int int1;
    private static AtomicInteger int2=new AtomicInteger(0);
    private static int int3;
    private static int int4;
    private static int int5;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i < 10000; i++)
        {
            increase(i);
        }
        Thread.sleep(1000);
    }

    private static void increase(int i){
        int1= i+1;
        int2.lazySet(i+2);
        int3= i+3;
        int4= i+4;
        int5= i+5;
    }
}

從結果能夠看到，int2沒有重排序，也沒有添加lock。s

注意，上面的最後一個紅框表示的是putstatic int4。

讀的性能

最後，咱們看下使用volatile關鍵字對讀的性能影響：

public class TestVolatile3 {

    private static volatile int int1=10;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i < 10000; i++)
        {
            readInt(i);
        }
        Thread.sleep(1000);
    }

    private static void readInt(int i){
        if(int1 < 5){
            System.out.println(i);
        }
    }
}

上面的例子中，咱們對int1讀取10000次。看下編譯結果：

從結果能夠看出，getstatic int1和不使用volatile關鍵字，生成的代碼是同樣的。

因此volatile對讀的性能不會產生影響。

總結

本文從彙編語言的角度再次深刻探討了volatile關鍵字和JMM模型的影響，但願你們可以喜歡。

本文做者：flydean程序那些事

本文連接：http://www.flydean.com/jvm-volatile-assembly/

本文來源：flydean的博客

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