通过 JVM (HotSpot) 源码和汇编理解 Java volatile 实现原理

了解 volatile 前请先了解 「Java 内存模型 (JMM)」是什么

一. volatile 作用是什么

  • 保证变量在多线程之间的可见性

  • 防止重排序

    • 编译器重排序
    • 指令级重排序
    • 内存重排序

二. 多线程之间的内存可见性是什么,如果不保证可见性会怎么样

如果不保证可见性的话,比如下面这段代码, 当变量 asscse 被改变为 1 后,开启的 thread 并不会结束运行,因为 asscse 被拷贝到了线程的工作内存中(以 server 模式运行)

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三. 通过 JVM 源码和汇编看怎么保证的多线程间的可见性

1. 准备工作:

运行程序打印汇编代码的设置
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2. 字节码

带 volatile 关键词时,多了一个 ACC_VOLATILE

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3. JVM 源码

通过 ACC_VOLATILE 看下 JVM 做了啥, 搜索 hotspot 源码,看到了两处 is_volatile

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继续搜索is_volatile 做了什么,我靠这也太多了,160 + 结果,作为 Java 入道程序员,这个 C++ 看着确实有点拙计,得想点别的办法。。

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4. 反编译为汇编(不带 volatile 关键词)

我想看看反汇编出来的代码在使用和未使用 volatile 关键词修饰时的差异


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5. 反编译为汇编(带 volatile 关键词)

可以看出相对于不带 volatile 关键字是多了一行 lock addl $0x0,(%rsp),开心。。

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6. JVM 源码

根据 lock addl 搜索到了两个结果,哈哈,看到了 '顺序存取' ,打开 orderAccess.hpp 看一下


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下面这张图中看到了,一大篇注释,在是解释内存模型 (JSR-133)和他们处理内存模型的方法其中包含 lock addl 对应的 fence 和其他函数,感兴趣的可以更具体的阅读:JDK8 hotspot - orderAccess.hpp 源码

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找到 orderAccess.hpp 的实现,可以看到 fence 函数中,内嵌了汇编,写入了 lock addl $0x0,(%rsp)


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6. lock addl $0x0,(%rsp) 是什么

IA32 中对 lock 的说明是

The LOCK # signal is asserted during execution of the instruction following the lock prefix. This signal can be used in a multiprocessor system to ensure exclusive use of shared memory while LOCK # is asserted

LOCK 用于在多处理器中执行指令时对共享内存的独占使用。它的作用是能够将当前处理器对应缓存的内容刷新到内存,并使其他处理器对应的缓存失效。另外还提供了有序的指令无法越过这个内存屏障的作用。

正是 lock 实现了 volatile 的「防止指令重排」「内存可见」的特性

五. 参考

查看Java的汇编指令Java 内存模型
从 HotSpot 源码看 Java volatile
就是要你懂 Java 中 volatile 关键字实现原理
volatile在java server模式和client模式下的不同(主内存和工作内存)
Java并发编程 - volatile

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