簡介
Volatile關鍵字對熟悉java多線程的朋友來說，應該很熟悉了。Volatile是JMM(Java Memory Model)的一個非常重要的關鍵詞。通過是用Volatile可以實現禁止重排序和變量值線程之間可見兩個主要特性。
今天我們從匯編的角度來分析一下Volatile關鍵字到底是怎么工作的。
重排序
這個世界上有兩種重排序的方式。
第一種，是在編譯器級別的，你寫一個java源代碼，經過javac編譯之后，生成的字節碼順序可能跟源代碼的順序不一致。
第二種，是硬件或者CPU級別的重排序，為了充分利用多核CPU的性能，或者CPU自身的處理架構（比如cache line），可能會對代碼進行重排序。比如同時加載兩個非互相依賴的字段進行處理，從而提升處理速度。
我們舉個例子：
public class TestVolatile {
private static int int1;
private static int int2;
private static int int3;
private static int int4;
private static int int5;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
for (int i = 0; i < 10000; i++)
{
increase(i);
}
Thread.sleep(1000);
}
private static void increase(int i){
int1= i+1;
int2= i+2;
int3= i+3;
int4= i+4;
int5= i+5;
}
}
上面例子中，我們定義了5個int字段，然后在循環中對這些字段進行累加。
先看下javac編譯出來的字節碼的順序：
我們可以看到在設置值的過程中是和java源代碼的順序是一致的，是按照int1,int2,int3,int4,int5的順序一個一個設置的。
然后我們看一下生成的匯編語言代碼：
在運行是添加參數-XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX:+PrintAssembly -XX:-Inline，或者直接使用JIT Watcher。
從生成的代碼中，我們可以看到putstatic是按照int1,int5,int4,int3,int2的順序進行的，也就是說進行了重排序。
如果我們將int2設置成為Volatile，看看結果如何？
前方高能預警，請小伙伴們做好准備
我們先看putstatic的順序，從注釋里面，我們只發現了putstatic int2, int3和int5。
且慢！我們不是需要設置int1,int2,int3,int4,int5 5個值嗎？這里怎么只有3個。
要是沒有能獨立思考和獨立決定的有創造個人，社會的向上發展就不可想像 - 愛因斯坦
這里是反編譯的時候注釋寫錯了！
讓我們來仔細分析一下匯編代碼。
第一個紅框，不用懂匯編語言的朋友應該也可以看懂，就是分別給r11d,r8d,r9d,ecx和esi這5個寄存器分別加1，2，3，4，5。
這也分別對應了我們在increase方法中要做的事情。
有了這些寄存器的值，我們再繼續往下看，從而可以知道，第二個紅框實際上表示的就是putstatic int1,而最后一個紅框，表示的就是putstatic int4。
所以，大家一定要學會自己分析代碼。
5個putstatic都在，同時因為使用了volatile關鍵字，所以int2作為一個分界點，不會被重排序。所以int1一定在int2之前，而int3,4,5一定在int2之后。
上圖的結果是在JIT Watcher中的C2編譯器的結果，如果我們切換到C1編譯器：
這次結果沒錯，5個int都在，同時我們看到這5個int居然沒有重排序。
這也說明了不同的編譯器可能對重排序的理解程度是不一樣的。
寫的內存屏障
再來分析一下上面的putstatic int2:
lock addl $0x0,-0x40(%rsp) ;*putstatic int2 {reexecute=0 rethrow=0 return_oop=0}
這里使用了 lock addl指令，給rsp加了0。 rsp是SP (Stack Pointer) register，也就是棧指針寄存器。
給rsp加0，是不是很奇怪？
加0，雖然沒有改變rsp的值，但是因為前面加了lock，所以這個指令會被解析為內存屏障。
這個內存屏障保證了兩個事情，第一，不會重排序。第二，所有的變量值都會回寫到主內存中，從而在這個指令之后，變量值對其他線程可見。
當然，因為使用lock，可能對性能會有影響。
非lock和LazySet
上面我們提到了volatile會導致生成lock指令。
但有時候，我們只是想阻止重排序，對於變量的可見性並沒有那么嚴格的要求。
這個時候，我們就可以使用Atomic類中的LazySet：
public class TestVolatile2 {
private static int int1;
private static AtomicInteger int2=new AtomicInteger(0);
private static int int3;
private static int int4;
private static int int5;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
for (int i = 0; i < 10000; i++)
{
increase(i);
}
Thread.sleep(1000);
}
private static void increase(int i){
int1= i+1;
int2.lazySet(i+2);
int3= i+3;
int4= i+4;
int5= i+5;
}
}
從結果可以看到，int2沒有重排序，也沒有添加lock。s
注意，上面的最后一個紅框表示的是putstatic int4。
讀的性能
最后，我們看下使用volatile關鍵字對讀的性能影響：
public class TestVolatile3 {
private static volatile int int1=10;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
for (int i = 0; i < 10000; i++)
{
readInt(i);
}
Thread.sleep(1000);
}
private static void readInt(int i){
if(int1 < 5){
System.out.println(i);
}
}
}
上面的例子中，我們對int1讀取10000次。看下編譯結果：
從結果可以看出，getstatic int1和不使用volatile關鍵字，生成的代碼是一樣的。
所以volatile對讀的性能不會產生影響。
總結
本文從匯編語言的角度再次深入探討了volatile關鍵字和JMM模型的影響，希望大家能夠喜歡。
本文作者：flydean程序那些事
本文鏈接：http://www.flydean.com/jvm-volatile-assembly/
本文來源：flydean的博客
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