通過實例解析JMM和Volatile底層原理

更新時間：2020年01月10日 15:33:58 作者：VincentYew

這篇文章主要介紹了通過實例解析JMM和Volatile底層原理,文中通過示例代碼介紹的非常詳細，對大家的學習或者工作具有一定的參考學習價值,需要的朋友可以參考下

JMM和volatile分析

1.JMM：Java Memory Model，java線程內(nèi)存模型

JMM：它是一個抽象的概念，描述的是線程和內(nèi)存間的通信，java線程內(nèi)存模型和CPU緩存模型類似，它是標準化的，用于屏蔽硬件和操作系統(tǒng)對內(nèi)存訪問的差異性。

2.JMM和8大原子操作結(jié)合

3.volatile的應用及底層原理探究

volatile ：輕量級的synchronized,在多處理器的開發(fā)中保證了共享變量的"可見性"?？梢娦缘囊馑迹寒斠粋€線程修改了某個共享變量時，其他使用到該共享變量的線程能夠及時讀取到修改的值。修飾得當，比synchronized的執(zhí)行成本更低，因為它不會引起線程上下文切換和調(diào)度。

public class VolatileTest {
  private static volatile boolean flag = false;
  public static void main(String[] args) {
    update();
  }

  public static void update(){
    flag = true;
    System.out.println(flag);
  }
}
Volatile JIT編譯器編譯java代碼為匯編指令查看
1.在jdk\jre\bin\ 目錄下添加 hsdis-amd64.lib
2.在jdk1.8\jre\bin\server\目錄下添加hsdis-amd64.dll文件
3.在IDEA中設置 JVM參數(shù)
-server -Xcomp -XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX:+PrintAssembly -XX:CompileCommand=compileonly,VolatileTest.update
4.運行Java程序即可打印出
CompilerOracle: compileonly *VolatileTest.update
Loaded disassembler from E:\EclipseDev\jdk\jdk1.8\jre\bin\server\hsdis-amd64.dll
Decoding compiled method 0x000000000f11aad0:
Code:
Argument 0 is unknown.RIP: 0xf11ac40 Code size: 0x000002a8
[Disassembling for mach='amd64']
[Entry Point]
[Verified Entry Point]
[Constants]
 # {method} {0x0000000008792b78} 'update' '()V' in 'com/yew/test/VolatileTest'
 #      [sp+0x40] (sp of caller)
 0x000000000f11ac40: mov   dword ptr [rsp+0ffffffffffffa000h],eax
 0x000000000f11ac47: push  rbp
 0x000000000f11ac48: sub   rsp,30h
 0x000000000f11ac4c: mov   r8,8792d70h    ;  {metadata(method data for {method} {0x0000000008792b78} 'update' '()V' in 'com/yew/test/VolatileTest')}
 0x000000000f11ac56: mov   edx,dword ptr [r8+0dch]
 0x000000000f11ac5d: add   edx,8h
 0x000000000f11ac60: mov   dword ptr [r8+0dch],edx
 0x000000000f11ac67: mov   r8,8792b70h    ;  {metadata({method} {0x0000000008792b78} 'update' '()V' in 'com/yew/test/VolatileTest')}
 0x000000000f11ac71: and   edx,0h
 0x000000000f11ac74: cmp   edx,0h
 0x000000000f11ac77: je   0f11ad68h     ;*iconst_1
                        ; - com.yew.test.VolatileTest::update@0 (line 17)
 0x000000000f11ac7d: mov   r8,0d7b08a30h   ;  {oop(a 'java/lang/Class' = 'com/yew/test/VolatileTest')}
 0x000000000f11ac87: mov   edx,1h
 0x000000000f11ac8c: mov   byte ptr [r8+68h],dl
volatile修飾
 0x000000000f11ac90: lock add dword ptr [rsp],0h ;*putstatic flag
                        ; - com.yew.test.VolatileTest::update@1 (line 17)
無Volatile修飾
 0x000000000f113707: mov byte ptr [r8+68h],1h ;*putstatic flag
                        ; - com.yew.test.VolatileTest::update@1 (line 17)
通過比較可知：改變共享變量flag的值為true,該變量由Volatile修飾，進行匯編打印時，會有l(wèi)ock前綴修飾，根據(jù)IA-32架構(gòu)軟件開發(fā)者手冊可知，lock前綴指令在多核CPU處理器下會引發(fā)兩件事情：
【1】將當前處理器緩存行的數(shù)據(jù)立即寫回系統(tǒng)內(nèi)存
【2】wirte操作會使其他處理器中緩存該內(nèi)存地址的數(shù)據(jù)無效
LOCK#聲言期間，處理器獨占任何共享內(nèi)存。IA-32處理器和Intel 64處理器使用MESI（修改、獨占、共享、無效）控制協(xié)議去維護內(nèi)部緩存和其他處理器緩存的一致性。通過嗅探技術(shù)保證處理器內(nèi)部緩存、系統(tǒng)緩存和其他處理器緩存的數(shù)據(jù)再總線上保持一致。當其他處理器打算回寫內(nèi)存地址，該地址是共享內(nèi)存區(qū)域，那么嗅探的處理器會將它的緩存行設置為無效，下次訪問相同內(nèi)存時，強制執(zhí)行緩存行填充。
0x000000000f11ac95: nop
 0x000000000f11ac98: jmp   0f11add4h     ;  {no_reloc}
 0x000000000f11ac9d: add   byte ptr [rax],al
 0x000000000f11ac9f: add   byte ptr [rax],al
 0x000000000f11aca1: add   byte ptr [rsi+0fh],ah
 0x000000000f11aca4: Fatal error: Disassembling failed with error code: 15Decoding compiled method 0x000000000f11ef50:
Code:
Argument 0 is unknown.RIP: 0xf11f080 Code size: 0x00000058
[Entry Point]
[Verified Entry Point]
[Constants]
 # {method} {0x0000000008792b78} 'update' '()V' in 'com/yew/test/VolatileTest'
 #      [sp+0x20] (sp of caller)
 0x000000000f11f080: mov   dword ptr [rsp+0ffffffffffffa000h],eax
 0x000000000f11f087: push  rbp
 0x000000000f11f088: sub   rsp,10h
 0x000000000f11f08c: mov   r10,0d7b08a30h  ;  {oop(a 'java/lang/Class' = 'com/yew/test/VolatileTest')}
 0x000000000f11f096: mov   byte ptr [r10+68h],1h
 0x000000000f11f09b: lock add dword ptr [rsp],0h ;*putstatic flag
                        ; - com.yew.test.VolatileTest::update@1 (line 17)
 0x000000000f11f0a0: mov   edx,1ch
 0x000000000f11f0a5: nop
 0x000000000f11f0a7: call  0f0557a0h     ; OopMap{off=44}
                        ;*getstatic out
                        ; - com.yew.test.VolatileTest::update@4 (line 18)
                        ;  {runtime_call}
 0x000000000f11f0ac: int3           ;*getstatic out
                        ; - com.yew.test.VolatileTest::update@4 (line 18)
 0x000000000f11f0ad: hlt
 0x000000000f11f0ae: hlt
 0x000000000f11f0af: hlt
 0x000000000f11f0b0: hlt
 0x000000000f11f0b1: hlt
 0x000000000f11f0b2: hlt
 0x000000000f11f0b3: hlt
 0x000000000f11f0b4: hlt
 0x000000000f11f0b5: hlt
 0x000000000f11f0b6: hlt
 0x000000000f11f0b7: hlt
 0x000000000f11f0b8: hlt
 0x000000000f11f0b9: hlt
 0x000000000f11f0ba: hlt
 0x000000000f11f0bb: hlt
 0x000000000f11f0bc: hlt
 0x000000000f11f0bd: hlt
 0x000000000f11f0be: hlt
 0x000000000f11f0bf: hlt
[Exception Handler]
[Stub Code]
 0x000000000f11f0c0: jmp   0f0883a0h     ;  {no_reloc}
[Deopt Handler Code]
 0x000000000f11f0c5: call  0f11f0cah
 0x000000000f11f0ca: sub   qword ptr [rsp],5h
 0x000000000f11f0cf: jmp   0f057600h     ;  {runtime_call}
 0x000000000f11f0d4: hlt
 0x000000000f11f0d5: hlt
 0x000000000f11f0d6: hlt
 0x000000000f11f0d7: hlt
true

4.volatile的使用優(yōu)化

java并發(fā)大師Doug Li在jdk7并發(fā)包中新增了一個隊列集合LinkeTransferQueue,它在使用Volatile關(guān)鍵字修飾變量時，采用追加字節(jié)的方式將變量填充到64字節(jié)

volatile修飾變量在進行修改時，會進行LOCK前置指令加鎖，鎖住緩存行的數(shù)據(jù)獨占

適用于：緩存行字節(jié)為64字節(jié) 處理器如 I7 酷睿 Pentium M等

不適用：非64字節(jié)寬的緩存行 P6系列或者奔騰共享變量不會被頻繁的寫

5.并發(fā)編程的三大特性：可見性、原子性、有序性

volatile可以保證可見性、有序性，但是不保證原子性。

6.volatile關(guān)鍵字的語義分析

（1）保證可見性，volatile修飾的共享變量被修改時，其他處理器能立刻嗅探到共享變量值的改變

（2）保證有序性：根據(jù)happens-before原則可知，當變量使用volatile修飾時，程序代碼前后的位置不能發(fā)生指令重排和提取。

（3）volatile底層采用匯編的lock前綴指令鎖定共享變量內(nèi)存地址的緩存行，從而控制并發(fā)的安全性(輕量級synchronized)

7.volatile使用場景以及和synchronized的區(qū)別