Java并发杂谈（一）：volatile的底层原理，从字节码到CPU
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；
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
点击查看代码
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."<init>":()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 = Utf8 a
#8 = Utf8 I
#9 = Utf8 b
#10 = Utf8 <init>
#11 = Utf8 ()V
#12 = Utf8 Code
#13 = Utf8 LineNumberTable
#14 = Utf8 change
#15 = Utf8 (I)V
#16 = Utf8 main
#17 = Utf8 ([Ljava/lang/String;)V
#18 = Utf8 SourceFile
#19 = Utf8 Main.java
#20 = NameAndType #10:#11 // "<init>":()V
#21 = NameAndType #7:#8 // a:I
#22 = NameAndType #9:#8 // b:I
#23 = NameAndType #14:#15 // change:(I)V
#24 = Utf8 Main
#25 = Utf8 java/lang/Object
{
static int a;
flags: ACC_STATIC
static volatile int b;
flags: ACC_STATIC, ACC_VOLATILE
public Main();
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=1, locals=1, args_size=1
0: aload_0
1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V
4: return
LineNumberTable:
line 1: 0
public 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: 2
public static void main(java.lang.String[]);
flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
Code:
stack=1, locals=1, args_size=1
0: bipush 10
2: putstatic #2 // Field a:I
5: bipush 20
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 void loadload();
static void storestore();
static void loadstore();
static void storeload();
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
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；
