面經手冊 · 第14篇《volatile 怎麼實現的內存可見？沒有 volatile 必定不可見嗎？》

做者：小傅哥
博客：https://bugstack.cn

沉澱、分享、成長，讓本身和他人都能有所收穫！😄

1、碼場心得

你是個能吃苦的人嗎？

從前的能吃苦大多指的體力勞動的苦，但如今的能吃苦已經包括太多維度，包括：讀書學習&寂寞的苦、深度思考&腦力的苦、自律習慣&修行的苦、自控能力&放棄的苦、低頭作人&尊嚴的苦。

雖然這些苦擺在眼前，但大多數人仍是喜歡吃簡單的苦。熬夜加班、日復一日、重複昨天、CRUD，最後身體發胖、體質降低、能力不足、自抱自泣！因此有些苦能不吃就不吃，要吃就吃那些有成長價值的苦。

今天你寫博客了嗎？

若是一件小事能堅持5年以上，那你必定是很了不得的人。是的，很了不得。人最難的就是想清楚了但作不到，或者偶爾作到長期作不到。

其實大多數走在研發路上的夥伴們，都知道本身該努力，但明明下好了的決心就是堅持不了多久。就像你是否也想過要寫技術博客，作技術積累。直到有一天被瓶頸限制在困局中才會着急，但這時候在想破局就真的很難了！

2、面試題

謝飛機，小記，飛機趁着週末，吃完火鍋。又去約面試官喝茶了！

謝飛機：嗨，我在這，這邊，這邊。

面試官：你怎麼又來了，最近學的不錯了？

謝飛機：仍是想來大廠，別害羞，面我吧！

面試官：我好像是你補課老師... 既然來了，就問問你吧！volatile 是幹啥的？

謝飛機：啊，volatile 是保證變量對全部線程的可見性的。

面試官：那 volatile 能夠解決原子性問題嗎？

謝飛機：不能夠！

面試官：那 volatile 的底層原理是如何實現的呢？

謝飛機：...，這！面試官，剛問兩個題就甩雷，你是不家裏有事要忙？

面試官：你管我！

3、volatile 講解

1. 可見性案例

public class ApiTest {

    public static void main(String[] args) {
        final VT vt = new VT();

        Thread Thread01 = new Thread(vt);
        Thread Thread02 = new Thread(new Runnable() {
            public void run() {
                try {
                    Thread.sleep(3000);
                } catch (InterruptedException ignore) {
                }
                vt.sign = true;
                System.out.println("vt.sign = true 通知 while (!sign) 結束！");
            }
        });

        Thread01.start();
        Thread02.start();
    }

}

class VT implements Runnable {

    public boolean sign = false;

    public void run() {
        while (!sign) {
        }
        System.out.println("你壞");
    }
}

這段代碼，是兩個線程操做一個變量，程序指望當 sign 在線程 Thread01 被操做 vt.sign = true 時，Thread02 輸出 你壞。

但實際上這段代碼永遠不會輸出 你壞，而是一直處於死循環。這是爲何呢？接下來咱們就一步步講解和驗證。

2. 加上volatile關鍵字

咱們把 sign 關鍵字加上 volatitle 描述，以下：

class VT implements Runnable {

    public volatile boolean sign = false;

    public void run() {
        while (!sign) {
        }
        System.out.println("你壞");
    }
}

測試結果

vt.sign = true 通知 while (!sign) 結束！
你壞

Process finished with exit code 0

volatile關鍵字是Java虛擬機提供的的最輕量級的同步機制，它做爲一個修飾符出現，用來修飾變量，可是這裏不包括局部變量哦

在添加 volatile 關鍵字後，程序就符合預期的輸出了 你壞。從咱們對 volatile 的學習認知能夠知道。volatile關鍵字是 JVM 提供的最輕量級的同步機制，用來修飾變量，用來保證變量對全部線程可見性。

正在修飾後可讓字段在線程見可見，那麼這個屬性被修改值後，能夠及時的在另外的線程中作出相應的反應。

3. volatile怎麼保證的可見性

3.1 無volatile時，內存變化

首先是當 sign 沒有 volatitle 修飾時 public boolean sign = false;，線程01對變量進行操做，線程02並不會拿到變化的值。因此程序也就不會輸出結果 「你壞」

3.2 有volatile時，內存變化

當咱們把變量使用 volatile 修飾時 public volatile boolean sign = false;，線程01對變量進行操做時，會把變量變化的值強制刷新的到主內存。當線程02獲取值時，會把本身的內存裏的 sign 值過時掉，以後從主內存中讀取。因此添加關鍵字後程序如預期輸出結果。

4. 反編譯解毒可見性

相似這樣有深度的技術知識，最佳的方式就是深刻理解原理，看看它到底作了什麼才保證的內存可見性操做。

4.1 查看JVM指令

指令：javap -v -p VT

public volatile boolean sign;
    descriptor: Z
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_VOLATILE

  org.itstack.interview.test.VT();
    descriptor: ()V
    flags:
    Code:
      stack=2, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: aload_0
         5: iconst_0
         6: putfield      #2                  // Field sign:Z
         9: return
      LineNumberTable:
        line 35: 0
        line 37: 4
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0      10     0  this   Lorg/itstack/interview/test/VT;

  public void run();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: getfield      #2                  // Field sign:Z
         4: ifne          10
         7: goto          0
        10: getstatic     #3                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
        13: ldc           #4                  // String 你壞
        15: invokevirtual #5                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
        18: return
      LineNumberTable:
        line 40: 0
        line 42: 10
        line 43: 18
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0      19     0  this   Lorg/itstack/interview/test/VT;
      StackMapTable: number_of_entries = 2
        frame_type = 0 /* same */
        frame_type = 9 /* same */
}

從JVM指令碼中只會發現多了，ACC_VOLATILE，並無什麼其餘的點。因此，也不能看出是怎麼實現的可見性。

4.2 查看彙編指令

經過Class文件查看彙編，須要下載 hsdis-amd64.dll 文件，複製到 JAVA_HOME\jre\bin\server目錄下。下載資源以下：

• http://vorboss.dl.sourceforge.net/project/fcml/fcml-1.1.1/hsdis-1.1.1-win32-amd64.zip
• http://vorboss.dl.sourceforge.net/project/fcml/fcml-1.1.1/hsdis-1.1.1-win32-i386.zip

另外是執行命令，包括：

1. 基礎指令：java -Xcomp -XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX:+PrintAssembly
2. 指定打印：-XX:CompileCommand=dontinline,類名.方法名
3. 指定打印：-XX:CompileCommand=compileonly,類名.方法名
4. 輸出位置：> xxx

最終使用：java -Xcomp -XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX:+PrintAssembly -XX:CompileCommand=dontinline,ApiTest.main -XX:CompileCommand=compileonly,ApiTest.mian

指令能夠在IDEA中的 Terminal 裏使用，也能夠到 DOS黑窗口中使用

另外，爲了更簡單的使用，咱們把指令能夠配置到idea的 VM options 裏，以下圖：

配置完成後，不出意外的運行結果以下：

Loaded disassembler from C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\bin\server\hsdis-amd64.dll
Decoding compiled method 0x0000000003744990:
Code:
Argument 0 is unknown.RIP: 0x3744ae0 Code size: 0x00000110
[Disassembling for mach='amd64']
[Entry Point]
[Constants]
  # {method} {0x000000001c853d18} 'getSnapshotTransformerList' '()[Lsun/instrument/TransformerManager$TransformerInfo;' in 'sun/instrument/TransformerManager'
  #           [sp+0x40]  (sp of caller)
  0x0000000003744ae0: mov     r10d,dword ptr [rdx+8h]
  0x0000000003744ae4: shl     r10,3h
  0x0000000003744ae8: cmp     r10,rax
  0x0000000003744aeb: jne     3685f60h          ;   {runtime_call}
  0x0000000003744af1: nop     word ptr [rax+rax+0h]
  0x0000000003744afc: nop
[Verified Entry Point]
  0x0000000003744b00: mov     dword ptr [rsp+0ffffffffffffa000h],eax
  0x0000000003744b07: push    rbp
  0x0000000003744b08: sub     rsp,30h           ;*aload_0
                                                ; - sun.instrument.TransformerManager::getSnapshotTransformerList@0 (line 166)

  0x0000000003744b0c: mov     eax,dword ptr [rdx+10h]
  0x0000000003744b0f: shl     rax,3h            ;*getfield mTransformerList
                                                ; - sun.instrument.TransformerManager::getSnapshotTransformerList@1 (line 166)

  0x0000000003744b13: add     rsp,30h
...

運行結果就是彙編指令，比較多這裏就不都放了。咱們只觀察🕵重點部分：

0x0000000003324cda: mov    0x74(%r8),%edx     ;*getstatic state
                                                 ; - VT::run@28 (line 27)
 
   0x0000000003324cde: inc    %edx
   0x0000000003324ce0: mov    %edx,0x74(%r8)
   0x0000000003324ce4: lock addl $0x0,(%rsp)     ;*putstatic state
                                                 ; - VT::run@33 (line 27)

編譯後的彙編指令中，有volatile關鍵字和沒有volatile關鍵字，主要差異在於多了一個 lock addl $0x0,(%rsp)，也就是lock的前綴指令。

lock指令至關於一個內存屏障，它保證以下三點：

1. 將本處理器的緩存寫入內存。
2. 重排序時不能把後面的指令重排序到內存屏障以前的位置。
3. 若是是寫入動做會致使其餘處理器中對應的內存無效。

那麼，這裏的一、3就是用來保證被修飾的變量，保證內存可見性。

5. 不加volatile也可見嗎

有質疑就要有驗證

咱們如今再把例子修改下，在 while (!sign) 循環體中添加一段執行代碼，以下；

class VT implements Runnable {

    public boolean sign = false;

    public void run() {
        while (!sign) {
            System.out.println("你好");
        }
        System.out.println("你壞");
    }
    
}

修改後去掉了 volatile 關鍵字，並在while循環中添加一段代碼。如今的運行結果是：

...
你好
你好
你好
vt.sign = true 通知 while (!sign) 結束！
你壞

Process finished with exit code 0

咋樣，又可見了吧！

這是由於在沒 volatile 修飾時，jvm也會盡可能保證可見性。​有 volatile 修飾的時候，必定保證可見性。

4、總結

• 最後咱們再總結下 volatile，它呢，會控制被修飾的變量在內存操做上主動把值刷新到主內存，JMM 會把該線程對應的CPU內存設置過時，從主內存中讀取最新值。
• 那麼，volatile 如何防止指令重排也是內存屏障，volatile 的內存屏障是（寫操做前插入StoreStore、寫操做後添加StoreLoad、讀操做前添加LoadLoad、讀操做後添加LoadStore），也就是四個位置，來保證重排序時不能把內存屏障後面的指令重排序到內存屏障以前的位置。
• 另外 volatile 並不能解決原子性，若是須要解決原子性問題，須要使用 synchronzied 或者 lock，這部份內容在咱們後續章節中介紹。

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