Java源码分析系列笔记-3.volatile

目录

• 1. 是什么
• 2. 什么情况 volatile 比 synchronized 更合适
  • 2.1. 例子
  • 2.2. 无法停止的原因分析
  • 2.3. 解决方法
  • 2.4. volatile vs synchronized
• 3. 汇编源码实验
  • 3.1. 下载编译 hsdis-amd64.dll
  • 3.2. 放入 JRE bin 目录下
  • 3.3. 对比实验
  • 3.4. 加上 jvm 参数运行
  • 3.5. 输出结果对比
• 4. 根据实验结果分析原理
  • 4.1. 可见性
  • 4.2. 有序性
• 5. 参考

1. 是什么

Java 的轻量级锁，主要保证了有序性、可见性和一定的原子性

• 轻量级
  
  相比于 synchronized，volatile 不会引起上下文切换（不会造成线程阻塞）
• 原子性
  
  对任意单个 volatile 变量的读/写具有原子性，但类似于 volatile++这种复合操作不具有原子性
• 可见性
  
  volatile 写会把数据同时写入主内存，并让其他线程对这个数据的工作内存失效，这样其他线程读的时候就需要去主内存中读取
• 有序性
  
  对一个 volatile 变量的读，总是能看到（任意线程）对这个 volatile 变量最后的写入。

2. 什么情况 volatile 比 synchronized 更合适

2.1. 例子

如下程序。thread1 并不会停止

public class VolatileTest
{
    private static boolean isRunning = true;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException
    {
        Thread thread1 = new Thread(()->{
            System.out.println("thread1 is running");
            while (isRunning)
            {

            }
            System.out.println("thread1 will be stopped");
        });
        thread1.start();

        Thread.sleep(1000);

        Thread thread2 = new Thread(()->{
            System.out.println("thread2 is running");

            isRunning = false;

            System.out.println("thread2 change isRunning flag");
        });
        thread2.start();

        thread1.join();
        thread2.join();
    }
}

2.2. 无法停止的原因分析

1. Thread1 从主内存把 isRunning 这个变量加载到工作内存中，值为 true 所以一直运行
2. Thread2 从主内存把 isRunning 这个变量加载到工作内存中，值为 true 改为 false，写回工作内存，再写回主内存
3. Thread1 一直从工作内存中读取这个变量，一直为 true，所以还是无法停止运行

2.3. 解决方法

将 isRunning 使用 volatile 修饰

public class VolatileTest
{
    private static volatile boolean isRunning = true;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException
    {
        Thread thread1 = new Thread(()->{
            System.out.println("thread1 is running");
            while (isRunning)
            {

            }
            System.out.println("thread1 will be stopped");
        });
        thread1.start();

        Thread.sleep(1000);

        Thread thread2 = new Thread(()->{
            System.out.println("thread2 is running");

            isRunning = false;

            System.out.println("thread2 change isRunning flag");
        });
        thread2.start();

        thread1.join();
        thread2.join();
    }
}

2.4. volatile vs synchronized

	volatile	synchronized
内存模型三性	可见性、有序性	可见性、有序性、原子性
是否造成线程阻塞【重量级别】	不会	会
应用范围	变量级别	变量、方法、类级别

3. 汇编源码实验

3.1. 下载编译 hsdis-amd64.dll

参考How to build hsdis-amd64.dll and hsdis-i386.dll on Windows或者hsdis-amd64.7z

3.2. 放入 JRE bin 目录下

3.3. 对比实验

• 有 volatile

public class TestVolatile
{
    private static volatile int i = 0;
    public static void main(String[] args)
    {
        test();
    }

    private static void test()
    {
        i++;
    }
}

• 没有 volatile

public class TestVolatile
{
    private static int i = 0;
    public static void main(String[] args)
    {
        test();
    }

    private static void test()
    {
        i++;
    }
}

3.4. 加上 jvm 参数运行

-server -Xcomp -XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX:-Inline -XX:CompileCommand=print,*TestVolatile.test

使用 IDEA 的话如下图：

3.5. 输出结果对比

结果如附件：

• volatile.txt
• 普通.txt
  
  使用 BeyondCompare 对比图如下：
  
  

4. 根据实验结果分析原理

从汇编语言层面看，有 volatile 的结果比没有 volatile 的多了一个指令：lock addl $0x0,(%rsp) ，这条指令起到内存屏障的作用

1. 禁止屏障两边的指令重排序

2. 强制把写缓冲区/高速缓存中的脏数据等写回主内存，让缓存中相应的数据失效

4.1. 可见性

根据内存屏障的作用 2 可以实现可见性，表现如下

• volatile 写会把数据同时写入主内存，并让其他线程对这个数据的工作内存失效
• 其他线程 volatile 读的时候就需要去主内存中读取

4.2. 有序性

根据内存屏障的作用 1 可以实现有序性，表现如下

在 volatile 写之前插入释放屏障【LoadStore+StoreStore】使得该屏障之前的任何读写操作都先于这个 volatile 写被提交；

在 volatile 读之后插入获取屏障【LoadLoad+LoadStore】使得这个 volatile 读操作先于该屏障之后的任何读写操作被提交。

5. 参考

• 深入理解 Java 内存模型（四）——volatile-InfoQ
• 再有人问你 volatile 是什么，把这篇文章也发给他。-HollisChuang's Blog
• Java volatile 关键字底层实现原理解析 - 王泽远的博客 | Crow's Blog
• 精确解释 java 的 volatile 之可见性、原子性、有序性（通过汇编语言） - tantexian 的博客空间 - OSCHINA
• volatile 与 synchronized 的区别 - 掘金