Java并发杂谈（一）（volatile的底层原理，从字节码到CPU） Java并发杂谈（一）：volatile的

volatile的特性 volatile是Java中用于修饰变量的关键字，其主要是保证了该变量的可见性以及顺序性，但是没有保证原子性；其是Java中最为轻量级的同步关键字；
接下来我将会一步步来分析volatile关键字是如何在Java代码层面、字节码层面、JVM源码层次、汇编层面、操作系统层面、CPU层面来保证可见性和顺序性的；
Java代码层面当一个变量被定义为volatile之后，具备两项特性：

保证此变量对所有线程的可见性
禁止指令重排序优化

volatile所保证的可见性
volatile所修饰的变量在一条线程修改一个变量的值的时候，新值对于其他线程来说是可以立即知道的；
普通变量的值在线程间传递的时候都是通过主内存去完成；

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根据JMM我们可以知道，每一个线程其实都有它单独的栈空间，而实际的对象其实都是存放在主内存中的，所以如果是普通对象的话，便会有一个栈空间的对象与主内存中的对象存在差异的时间；而volatile所修饰的变量其保持了可见性，其会强制让栈空间所存在的对应变量失效，然后从主内存强制刷新到栈空间，如此便每次看到的都是最新的数据；
volatile所保证的禁止指令重排
Java的每一行语句其实都对应了一行或者多行字节码语句，而每一行字节码语句又对应了一行或者多行汇编语句，而每一行汇编语句又对应了一行或者多行机器指令；但是CPU的指令优化器可能会对其指令顺序进行重排，优化其运行效率，但是这样也可能会导致并发问题；而volatile便可以强制禁止优化指令重排；
volatile在字节码层面的运用我们先看到以下代码

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public class Main { static int a ; static volatile int b ; public static synchronized void change(int num) { num = 0; }public static void main(String[] args) { a = 10; b = 20; change(a); } }

我们先试用javac来将java文件编译为class文件，然后通过javap -v来反编译；

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Classfile /opt/software/java-study/Main.class Last modified Mar 1, 2022; size 400 bytes MD5 checksum c7691713c9365588495a60da768c32a6 Compiled from "Main.java" public class Main SourceFile: "Main.java" minor version: 0 major version: 51 flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER Constant pool: #1 = Methodref#6.#20//java/lang/Object."":()V #2 = Fieldref#5.#21//Main.a:I #3 = Fieldref#5.#22//Main.b:I #4 = Methodref#5.#23//Main.change:(I)V #5 = Class#24//Main #6 = Class#25//java/lang/Object #7 = Utf8a #8 = Utf8I #9 = Utf8b #10 = Utf8 #11 = Utf8()V #12 = Utf8Code #13 = Utf8LineNumberTable #14 = Utf8change #15 = Utf8(I)V #16 = Utf8main #17 = Utf8([Ljava/lang/String; )V #18 = Utf8SourceFile #19 = Utf8Main.java #20 = NameAndType#10:#11//"":()V #21 = NameAndType#7:#8//a:I #22 = NameAndType#9:#8//b:I #23 = NameAndType#14:#15//change:(I)V #24 = Utf8Main #25 = Utf8java/lang/Object { static int a; flags: ACC_STATICstatic volatile int b; flags: ACC_STATIC, ACC_VOLATILEpublic Main(); flags: ACC_PUBLIC Code: stack=1, locals=1, args_size=1 0: aload_0 1: invokespecial #1// Method java/lang/Object."":()V 4: return LineNumberTable: line 1: 0public static synchronized void change(int); flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC, ACC_SYNCHRONIZED Code: stack=1, locals=1, args_size=1 0: iconst_0 1: istore_0 2: return LineNumberTable: line 5: 0 line 6: 2public static void main(java.lang.String[]); flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC Code: stack=1, locals=1, args_size=1 0: bipush10 2: putstatic#2// Field a:I 5: bipush20 7: putstatic#3// Field b:I 10: getstatic#2// Field a:I 13: invokestatic#4// Method change:(I)V 16: return LineNumberTable: line 9: 0 line 10: 5 line 11: 10 line 12: 16 }

我们仔细观察加了volatile修饰的变量与其他变量的区别便可以看出，其主要是在flags中添加了一个**ACC_VOLATILE**；同时先进行**putstatic**指令； volatile在JVM源码方面的运用在JVM源码方面，我编译了OpenJDK7然后利用find与grep进行全局查找，然后进行方法追踪，由于涉及到大量C++的知识，我便跳过其C++代码追踪，而直接看最后追踪到的函数；
先来做一个总结，其实volatile的JVM源码的原理对应的是被称为内存屏障来实现的；

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static voidloadload(); static voidstorestore(); static voidloadstore(); static voidstoreload();

这四个分别对应了经常在书中看到的JSR规范中的读写屏障

LoadLoad屏障：（指令Load1; LoadLoad; Load2），在Load2及后续读取操作要读取的数据被访问前，保证Load1要读取的数据被读取完毕。
LoadStore屏障：（指令Load1; LoadStore; Store2），在Store2及后续写入操作被刷出前，保证Load1要读取的数据被读取完毕。
StoreStore屏障：（指令Store1; StoreStore; Store2），在Store2及后续写入操作执行前，保证Store1的写入操作对其它处理器可见。
StoreLoad屏障：（指令Store1; StoreLoad; Load2），在Load2及后续所有读取操作执行前，保证Store1的写入对所有处理器可见。它的开销是四种屏障中最大的。在大多数处理器的实现中，这个屏障是个万能屏障，兼具其它三种内存屏障的功能

对于volatile操作而言，其操作步骤如下：

每个volatile写入之前，插入一个StoreStore，写入以后插入一个StoreLoad
每个volatile读取之前，插入一个LoadLoad，读取之后插入一个LoadStore

在JVM源码层次而言，内存屏障直接起到了禁止指令重排的作用，且之后与总线锁或者MESI协议配合实现了可见性；
汇编层次在汇编层次而言，我是使用JITWatch配合hsdis进行的转汇编，可以发现在含有volatile的变量的时候，汇编指令会有一个lock前缀，而lock前缀在CPU层次中自己实现了内存屏障的功能；
CPU层次 【Java并发杂谈（一）（volatile的底层原理，从字节码到CPU）】在x86的架构中，含有lock前缀的指令拥有两种方法实现；
一种是开销很大的总线锁，它会把对应的总线直接全部锁住，如此明显是不合理的；
所以后期intel引入了缓存锁以及mesi协议，如此便可以轻量化的实现内存屏障；