前言

當(dāng)共享變量被聲明為volatile后，對這個(gè)變量的讀/寫操作都會(huì)很特別，下面我們就揭開volatile的神秘面紗。

1.volatile的內(nèi)存語義

1.1 volatile的特性

一個(gè)volatile變量自身具有以下三個(gè)特性：

1. 可見性：即當(dāng)一個(gè)線程修改了聲明為volatile變量的值，新值對于其他要讀該變量的線程來說是立即可見的。而普通變量是不能做到這一點(diǎn)的，普通變量的值在線程間傳遞需要通過主內(nèi)存來完成。

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

3. 受限原子性：這里volatile變量的原子性與synchronized的原子性是不同的，synchronized的原子性是指只要聲明為synchronized的方法或代碼塊兒在執(zhí)行上就是原子操作的。而volatile是不修飾方法或代碼塊兒的，它用來修飾變量，對于單個(gè)volatile變量的讀/寫操作都具有原子性，但類似于volatile++這種復(fù)合操作不具有原子性。所以volatile的原子性是受限制的。并且在多線程環(huán)境中，volatile并不能保證原子性。

1.2 volatile寫-讀的內(nèi)存語義

volatile寫的內(nèi)存語義：當(dāng)寫線程寫一個(gè)volatile變量時(shí)，JMM會(huì)把該線程對應(yīng)的本地內(nèi)存中的共享變量值刷新到主內(nèi)存。

volatile讀的內(nèi)存語義：當(dāng)讀線程讀一個(gè)volatile變量時(shí)，JMM會(huì)把該線程對應(yīng)的本地內(nèi)存置為無效，線程接下來將從主內(nèi)存讀取共享變量。

2.volatile語義實(shí)現(xiàn)原理

在介紹volatile語義實(shí)現(xiàn)原理之前，我們先來看兩個(gè)與CPU相關(guān)的專業(yè)術(shù)語：

• 內(nèi)存屏障（memory barriers）：一組處理器指令，用于實(shí)現(xiàn)對內(nèi)存操作的順序限制。
• 緩存行（cache line）：CPU高速緩存中可以分配的最小存儲(chǔ)單位。處理器填寫緩存行時(shí)會(huì)加載整個(gè)緩存行。

2.1 volatile可見性實(shí)現(xiàn)原理

volatile可見性的內(nèi)存語義是如何實(shí)現(xiàn)的呢？下面我們看一段代碼，并將代碼生成的處理器的匯編指令打印出來（關(guān)于如何打印匯編指令，我會(huì)在文章末尾附上），看下對volatile變量進(jìn)行寫操作時(shí)，CPU會(huì)做什么事情：

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(gè)我們非常熟悉的在多線程環(huán)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(shí)例變量instance加上了volatile修飾，下面看打印的匯編指令：

image.png

上面截圖中，我們看到我劃線的一行的末尾有一句匯編注釋：putstatic instance，了解JVM 字節(jié)碼指令的小伙伴都知道，putstatic的含義是給一個(gè)靜態(tài)變量設(shè)置值，在上述代碼中也就是給靜態(tài)變量instance賦值，對應(yīng)代碼：instance = new VolatileTest();在getInstance方法中為instance實(shí)例化，因?yàn)閕nstance加了volatile修飾，所以給靜態(tài)變量instance設(shè)置值也是在寫一個(gè)volatile變量。

看到上述有匯編指令，也有字節(jié)碼指令，大家會(huì)不會(huì)混淆這兩種指令，這里我指明一下字節(jié)碼指令和匯編指令的區(qū)別：

我們都知道java是一種跨平臺(tái)的語言，那么java是如何實(shí)現(xiàn)這種平臺(tái)無關(guān)性的呢？這就需要我們了解JVM和java的字節(jié)碼文件。這里我們需要有一點(diǎn)共識(shí)，就是任何一門編程語言都需要轉(zhuǎn)換為與平臺(tái)相關(guān)的匯編指令才能夠最終被硬件執(zhí)行，比如C和C++都將我們的源代碼直接編譯成與CPU相關(guān)的匯編指令給CPU執(zhí)行。 不同系列的CPU的體系架構(gòu)不同，所以它們的匯編指令也有不同，比如X86架構(gòu)的CPU對應(yīng)于X86匯編指令，arm架構(gòu)的CPU對應(yīng)于arm匯編指令。如果將程序源代碼直接編譯成與硬件相關(guān)的底層匯編指令，那么程序的跨平臺(tái)性也就大打折扣，但執(zhí)行性能相對較高。為了實(shí)現(xiàn)平臺(tái)無關(guān)性，java的編譯器javac并不是將java的源程序直接編譯成與平臺(tái)相關(guān)的匯編指令，而是編譯成一種中間語言，即java的class字節(jié)碼文件。字節(jié)碼文件，顧名思義存的就是字節(jié)碼，即一個(gè)一個(gè)的字節(jié)。有打開過java字節(jié)碼文件研讀過的小伙伴可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，字節(jié)碼文件里面存的并不是二進(jìn)制，而是十六進(jìn)制，這是因?yàn)槎M(jìn)制太長了，一個(gè)字節(jié)要由8位二進(jìn)制組成。所以用十六進(jìn)制表示，兩個(gè)十六進(jìn)制就可以表示一個(gè)字節(jié)。java源碼編譯后的字節(jié)碼文件是不能夠直接被CPU執(zhí)行的，那么該如何執(zhí)行呢？答案是JVM，為了讓java程序能夠在不同的平臺(tái)上執(zhí)行，java官方提供了針對于各個(gè)平臺(tái)的java虛擬機(jī)，JVM運(yùn)行于硬件層之上，屏蔽各種平臺(tái)的差異性。javac編譯后的字節(jié)碼文件統(tǒng)一由JVM來加載，最后再轉(zhuǎn)化成與硬件相關(guān)的機(jī)器指令被CPU執(zhí)行。知道了通過JVM來加載字節(jié)碼文件，那么還有一個(gè)問題，就是JVM如何將字節(jié)碼中的每個(gè)字節(jié)和我們寫的java源代碼相關(guān)聯(lián)，也就是JVM如何知道我們寫的java源代碼對應(yīng)于class文件中的哪段十六進(jìn)制，這段十六進(jìn)制是干什么的，執(zhí)行了什么功能？并且一大堆的十六進(jìn)制，我們也看不懂啊。所以這就需要定義一個(gè)JVM層面的規(guī)范，在JVM層面抽象出一些我們能夠認(rèn)識(shí)的指令助記符，這些指令助記符就是java的字節(jié)碼指令。

再看上面的截圖，當(dāng)寫instance這個(gè)volatile變量時(shí)，發(fā)現(xiàn)add前面加個(gè)一個(gè)lock指令，我在截圖中框了出來，如何不加volatile修飾，是沒有l(wèi)ock的。

lock指令在多核處理器下會(huì)引發(fā)下面的事件：

將當(dāng)前處理器的緩存行的數(shù)據(jù)寫回到系統(tǒng)內(nèi)存，同時(shí)使其他CPU里緩存了該內(nèi)存地址的數(shù)據(jù)置為無效。

為了提高處理速度，處理器一般不直接和內(nèi)存通信，而是先將系統(tǒng)內(nèi)存的數(shù)據(jù)讀到內(nèi)部緩存后再進(jìn)行操作，但操作完成后并不知道處理器何時(shí)將緩存數(shù)據(jù)寫回到內(nèi)存。但如果對加了volatile修飾的變量進(jìn)行寫操作，JVM就會(huì)向處理器發(fā)送一條lock前綴的指令，將這個(gè)變量在緩存行的數(shù)據(jù)寫回到系統(tǒng)內(nèi)存。這時(shí)只是寫回到系統(tǒng)內(nèi)存，但其他處理器的緩存行中的數(shù)據(jù)還是舊的，要使其他處理器緩存行的數(shù)據(jù)也是新寫回的系統(tǒng)內(nèi)存的數(shù)據(jù)，就需要實(shí)現(xiàn)緩存一致性協(xié)議。即在一個(gè)處理器將自己緩存行的數(shù)據(jù)寫回到系統(tǒng)內(nèi)存后，其他的每個(gè)處理器就會(huì)通過嗅探在總線上傳播的數(shù)據(jù)來檢查自己緩存的數(shù)據(jù)是否已過期，當(dāng)處理器發(fā)現(xiàn)自己緩存行對應(yīng)的內(nèi)存地址的數(shù)據(jù)被修改后，就會(huì)將自己緩存行緩存的數(shù)據(jù)設(shè)置為無效，當(dāng)處理器要對這個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改操作的時(shí)候，會(huì)重新從系統(tǒng)內(nèi)存中把數(shù)據(jù)讀取到自己的緩存行，重新緩存。

總結(jié)下：volatile可見性的實(shí)現(xiàn)就是借助了CPU的lock指令，通過在寫volatile的機(jī)器指令前加上lock前綴，使寫volatile具有以下兩個(gè)原則：

1. 寫volatile時(shí)處理器會(huì)將緩存寫回到主內(nèi)存。
2. 一個(gè)處理器的緩存寫回到內(nèi)存會(huì)導(dǎo)致其他處理器的緩存失效。

2.2 volatile有序性的實(shí)現(xiàn)原理

volatile有序性的保證就是通過禁止指令重排序來實(shí)現(xiàn)的。指令重排序包括編譯器和處理器重排序，JMM會(huì)分別限制這兩種指令重排序。

那么禁止指令重排序又是如何實(shí)現(xiàn)的呢？答案是加內(nèi)存屏障。JMM為volatile加內(nèi)存屏障有以下4種情況：

1. 在每個(gè)volatile寫操作的前面插入一個(gè)StoreStore屏障，防止寫volatile與后面的寫操作重排序。
2. 在每個(gè)volatile寫操作的后面插入一個(gè)StoreLoad屏障，防止寫volatile與后面的讀操作重排序。
3. 在每個(gè)volatile讀操作的后面插入一個(gè)LoadLoad屏障，防止讀volatile與后面的讀操作重排序。
4. 在每個(gè)volatile讀操作的后面插入一個(gè)LoadStore屏障，防止讀volatile與后面的寫操作重排序。

上述內(nèi)存屏障的插入策略是非常保守的，比如一個(gè)volatile的寫操作后面需要加上StoreStore和StoreLoad屏障，但這個(gè)寫volatile后面可能并沒有讀操作，因此理論上只加上StoreStore屏障就可以，的確，有的處理器就是這么做的。但JMM這種保守的內(nèi)存屏障插入策略能夠保證在任意的處理器平臺(tái)，volatile變量都是有序的。

3.JSR-133對volatile內(nèi)存語義的增強(qiáng)

在JSR-133之前的舊的java內(nèi)存模型中，雖然不允許對volatile變量之間的操作進(jìn)行重排序，但允許對volatile變量與普通變量之間進(jìn)行重排序。比如內(nèi)存屏障前面是一個(gè)寫volatile變量的操作，內(nèi)存屏障后面的操作是一個(gè)寫普通變量的操作，即使這兩個(gè)寫操作可能會(huì)破壞volatile內(nèi)存語義，但JMM是允許這兩個(gè)操作進(jìn)行重排序的。

在JSR-133以及后面的新的java內(nèi)存模型中，增強(qiáng)了volatile的內(nèi)存語義。只要volatile變量與普通變量之間的重排序可能會(huì)破壞volatile的內(nèi)存語義，這種重排序就會(huì)被編譯器重排序規(guī)則和處理器內(nèi)存屏障出入策略禁止。

附：配置idea打印匯編指令

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

將下載的工具包解壓，復(fù)制到j(luò)dk安裝目錄的jre路徑下的bin目錄中，如圖：
?

image.png

然后配置idea，在 VM options 選項(xiàng)中輸入：-server -Xcomp -XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX:+PrintAssembly -XX:CompileCommand=compileonly,*類名.方法名

JRE選項(xiàng)選擇已放入工具包的jre路徑。

下圖是我的idea配置：

image.png

以上配置好后運(yùn)行就可以打印匯編指令了。