面經手冊 · 第14篇《volatile 怎麼實現的記憶體可見？沒有 volatile 一定不可見嗎？》

• 2020 年 10 月 22 日
• 筆記
• CodeGuide | 程式設計師編碼指南, JAVA, volatile, 記憶體屏障, 小傅哥, 面經手冊

作者：小傅哥
部落格：//bugstack.cn

沉澱、分享、成長，讓自己和他人都能有所收穫！😄

一、碼場心得

你是個能吃苦的人嗎？

從前的能吃苦大多指的體力勞動的苦，但現在的能吃苦已經包括太多維度，包括：讀書學習&寂寞的苦、深度思考&腦力的苦、自律習慣&修行的苦、自控能力&放棄的苦、低頭做人&尊嚴的苦。

雖然這些苦擺在眼前，但大多數人還是喜歡吃簡單的苦。熬夜加班、日復一日、重複昨天、CRUD，最後身體發胖、體質下降、能力不足、自抱自泣！所以有些苦能不吃就不吃，要吃就吃那些有成長價值的苦。

今天你寫部落格了嗎？

如果一件小事能堅持5年以上，那你一定是很了不起的人。是的，很了不起。人最難的就是想清楚了但做不到，或者偶爾做到長期做不到。

其實大多數走在研發路上的夥伴們，都知道自己該努力，但明明下好了的決心就是堅持不了多久。就像你是否也想過要寫技術部落格，做技術積累。直到有一天被瓶頸限制在困局中才會著急，但這時候在想破局就真的很難了！

二、面試題

謝飛機，小記，飛機趁著周末，吃完火鍋。又去約面試官喝茶了！

謝飛機：嗨，我在這，這邊，這邊。

面試官：你怎麼又來了，最近學的不錯了？

謝飛機：還是想來大廠，別害羞，面我吧！

面試官：我好像是你補課老師… 既然來了，就問問你吧！volatile 是幹啥的？

謝飛機：啊，volatile 是保證變數對所有執行緒的可見性的。

面試官：那 volatile 可以解決原子性問題嗎？

謝飛機：不可以！

面試官：那 volatile 的底層原理是如何實現的呢？

謝飛機：…，這！面試官，剛問兩個題就甩雷，你是不家裡有事要忙？

面試官：你管我！

三、volatile 講解

1. 可見性案例

public class ApiTest {

    public static void main(String[] args) {
        final VT vt = new VT();

        Thread Thread01 = new Thread(vt);
        Thread Thread02 = new Thread(new Runnable() {
            public void run() {
                try {
                    Thread.sleep(3000);
                } catch (InterruptedException ignore) {
                }
                vt.sign = true;
                System.out.println("vt.sign = true 通知 while (!sign) 結束！");
            }
        });

        Thread01.start();
        Thread02.start();
    }

}

class VT implements Runnable {

    public boolean sign = false;

    public void run() {
        while (!sign) {
        }
        System.out.println("你壞");
    }
}

這段程式碼，是兩個執行緒操作一個變數，程式期望當 sign 在執行緒 Thread01 被操作 vt.sign = true 時，Thread02 輸出 你壞。

但實際上這段程式碼永遠不會輸出 你壞，而是一直處於死循環。這是為什麼呢？接下來我們就一步步講解和驗證。

2. 加上volatile關鍵字

我們把 sign 關鍵字加上 volatitle 描述，如下：

class VT implements Runnable {

    public volatile boolean sign = false;

    public void run() {
        while (!sign) {
        }
        System.out.println("你壞");
    }
}

測試結果

vt.sign = true 通知 while (!sign) 結束！
你壞

Process finished with exit code 0

volatile關鍵字是Java虛擬機提供的的最輕量級的同步機制，它作為一個修飾符出現，用來修飾變數，但是這裡不包括局部變數哦

在添加 volatile 關鍵字後，程式就符合預期的輸出了 你壞。從我們對 volatile 的學習認知可以知道。volatile關鍵字是 JVM 提供的最輕量級的同步機制，用來修飾變數，用來保證變數對所有執行緒可見性。

正在修飾後可以讓欄位在執行緒見可見，那麼這個屬性被修改值後，可以及時的在另外的執行緒中做出相應的反應。

3. volatile怎麼保證的可見性

3.1 無volatile時，記憶體變化

首先是當 sign 沒有 volatitle 修飾時 public boolean sign = false;，執行緒01對變數進行操作，執行緒02並不會拿到變化的值。所以程式也就不會輸出結果 「你壞」

3.2 有volatile時，記憶體變化

當我們把變數使用 volatile 修飾時 public volatile boolean sign = false;，執行緒01對變數進行操作時，會把變數變化的值強制刷新的到主記憶體。當執行緒02獲取值時，會把自己的記憶體里的 sign 值過期掉，之後從主記憶體中讀取。所以添加關鍵字後程式如預期輸出結果。

4. 反編譯解毒可見性

類似這樣有深度的技術知識，最佳的方式就是深入理解原理，看看它到底做了什麼才保證的記憶體可見性操作。

4.1 查看JVM指令

指令：javap -v -p VT

 public volatile boolean sign;
    descriptor: Z
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_VOLATILE

  org.itstack.interview.test.VT();
    descriptor: ()V
    flags:
    Code:
      stack=2, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: aload_0
         5: iconst_0
         6: putfield      #2                  // Field sign:Z
         9: return
      LineNumberTable:
        line 35: 0
        line 37: 4
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0      10     0  this   Lorg/itstack/interview/test/VT;

  public void run();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: getfield      #2                  // Field sign:Z
         4: ifne          10
         7: goto          0
        10: getstatic     #3                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
        13: ldc           #4                  // String 你壞
        15: invokevirtual #5                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
        18: return
      LineNumberTable:
        line 40: 0
        line 42: 10
        line 43: 18
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0      19     0  this   Lorg/itstack/interview/test/VT;
      StackMapTable: number_of_entries = 2
        frame_type = 0 /* same */
        frame_type = 9 /* same */
}

從JVM指令碼中只會發現多了，ACC_VOLATILE，並沒有什麼其他的點。所以，也不能看出是怎麼實現的可見性。

4.2 查看彙編指令

通過Class文件查看彙編，需要下載 hsdis-amd64.dll 文件，複製到 JAVA_HOME\jre\bin\server目錄下。下載資源如下：

• //vorboss.dl.sourceforge.net/project/fcml/fcml-1.1.1/hsdis-1.1.1-win32-amd64.zip
• //vorboss.dl.sourceforge.net/project/fcml/fcml-1.1.1/hsdis-1.1.1-win32-i386.zip

另外是執行命令，包括：

1. 基礎指令：java -Xcomp -XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX:+PrintAssembly
2. 指定列印：-XX:CompileCommand=dontinline,類名.方法名
3. 指定列印：-XX:CompileCommand=compileonly,類名.方法名
4. 輸出位置：> xxx

最終使用：java -Xcomp -XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX:+PrintAssembly -XX:CompileCommand=dontinline,ApiTest.main -XX:CompileCommand=compileonly,ApiTest.mian

指令可以在IDEA中的 Terminal 里使用，也可以到 DOS黑窗口中使用

另外，為了更簡單的使用，我們把指令可以配置到idea的 VM options 里，如下圖：

配置完成後，不出意外的運行結果如下：

Loaded disassembler from C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\bin\server\hsdis-amd64.dll
Decoding compiled method 0x0000000003744990:
Code:
Argument 0 is unknown.RIP: 0x3744ae0 Code size: 0x00000110
[Disassembling for mach='amd64']
[Entry Point]
[Constants]
  # {method} {0x000000001c853d18} 'getSnapshotTransformerList' '()[Lsun/instrument/TransformerManager$TransformerInfo;' in 'sun/instrument/TransformerManager'
  #           [sp+0x40]  (sp of caller)
  0x0000000003744ae0: mov     r10d,dword ptr [rdx+8h]
  0x0000000003744ae4: shl     r10,3h
  0x0000000003744ae8: cmp     r10,rax
  0x0000000003744aeb: jne     3685f60h          ;   {runtime_call}
  0x0000000003744af1: nop     word ptr [rax+rax+0h]
  0x0000000003744afc: nop
[Verified Entry Point]
  0x0000000003744b00: mov     dword ptr [rsp+0ffffffffffffa000h],eax
  0x0000000003744b07: push    rbp
  0x0000000003744b08: sub     rsp,30h           ;*aload_0
                                                ; - sun.instrument.TransformerManager::getSnapshotTransformerList@0 (line 166)

  0x0000000003744b0c: mov     eax,dword ptr [rdx+10h]
  0x0000000003744b0f: shl     rax,3h            ;*getfield mTransformerList
                                                ; - sun.instrument.TransformerManager::getSnapshotTransformerList@1 (line 166)

  0x0000000003744b13: add     rsp,30h
...

運行結果就是彙編指令，比較多這裡就不都放了。我們只觀察🕵重點部分：

   0x0000000003324cda: mov    0x74(%r8),%edx     ;*getstatic state
                                                 ; - VT::run@28 (line 27)
 
   0x0000000003324cde: inc    %edx
   0x0000000003324ce0: mov    %edx,0x74(%r8)
   0x0000000003324ce4: lock addl $0x0,(%rsp)     ;*putstatic state
                                                 ; - VT::run@33 (line 27)

編譯後的彙編指令中，有volatile關鍵字和沒有volatile關鍵字，主要差別在於多了一個 lock addl $0x0,(%rsp)，也就是lock的前綴指令。

lock指令相當於一個記憶體屏障，它保證如下三點：

1. 將本處理器的快取寫入記憶體。
2. 重排序時不能把後面的指令重排序到記憶體屏障之前的位置。
3. 如果是寫入動作會導致其他處理器中對應的記憶體無效。

那麼，這裡的1、3就是用來保證被修飾的變數，保證記憶體可見性。

5. 不加volatile也可見嗎

有質疑就要有驗證

我們現在再把例子修改下，在 while (!sign) 循環體中添加一段執行程式碼，如下；

class VT implements Runnable {

    public boolean sign = false;

    public void run() {
        while (!sign) {
            System.out.println("你好");
        }
        System.out.println("你壞");
    }
    
}

修改後去掉了 volatile 關鍵字，並在while循環中添加一段程式碼。現在的運行結果是：

...
你好
你好
你好
vt.sign = true 通知 while (!sign) 結束！
你壞

Process finished with exit code 0

咋樣，又可見了吧！

這是因為在沒 volatile 修飾時，jvm也會盡量保證可見性。​有 volatile 修飾的時候，一定保證可見性。

四、總結

• 最後我們再總結下 volatile，它呢，會控制被修飾的變數在記憶體操作上主動把值刷新到主記憶體，JMM 會把該執行緒對應的CPU記憶體設置過期，從主記憶體中讀取最新值。
• 那麼，volatile 如何防止指令重排也是記憶體屏障，volatile 的記憶體屏障是（寫操作前插入StoreStore、寫操作後添加StoreLoad、讀操作前添加LoadLoad、讀操作後添加LoadStore），也就是四個位置，來保證重排序時不能把記憶體屏障後面的指令重排序到記憶體屏障之前的位置。
• 另外 volatile 並不能解決原子性，如果需要解決原子性問題，需要使用 synchronzied 或者 lock，這部分內容在我們後續章節中介紹。

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