Java-volatile是如何实现的

如果下面两段代码你能清楚的知道是为什么，那么就没有必要看本文了

代码示例1：下面的代码不会打印出“粮粮”

public class Act {static int a = 0;public static void main(String[] args) throws InterruptedException {new Thread(() -> {Thread.sleep(1000);// 省略try catcha = 1;}).start();while (a == 0) {}System.out.println("粮粮");}
}

代码示例2：下面的代码会打印出“粮粮”

public class Act {static int a = 0;public static void main(String[] args) throws InterruptedException {new Thread(() -> {Thread.sleep(1000);// 省略try catcha = 1;}).start();while (a == 0) {//同示例1相比，只多出了这一行代码System.out.println();}System.out.println("粮粮");}
}

本文对于C语言的朋友来说可能比较容易阅读，但是对于只会Java的朋友来说稍微有些复杂，这篇AT&T拓展内联汇编(ATT/GCC)会让你更好的理解本文，当然了，不看也可以。。。

Java中volatile关键字的的作用是每次都能获取最新的变量（主存）数据，很明显，虽然上述2个示例中我没有使用volatile关键字，但是在示例2中，也依然达到了volatile的效果，本文要论述的问题就是示例2的底层本质，虽然本文标题是volatile如何实现，但文章内容更倾向于内存屏障，这也包含了volatile的在hotspot中的实现原理，所以我将本文标题定义为volatile实现

Load与Store
Load：将内存中的数据放到寄存器
Store：将寄存器中的数据放到内存

由于JVM是基于栈的虚拟机，所以JVM会使用栈来模拟寄存器，在java中叫做操作数栈，用栈帧中的局部变量表来模拟物理机器的内存，所以我们也可以说
Load操作：从一个对象的成员变量中读取值
Store操作：往一个对象的成员变量中写入值

下面的代码解释了什么是Load和Store

public class Demo1{int a;//成员变量public void m1() {int p = a;//Load  aa = 666;  //Store a}
}

编译器重排序
下面的示例方法m1中，对于编译器来说，先执行p1 = a，还是先执行p2 = b，在单线程下语义都是一样的，所以编译器编译出来的文件有可能先执行p2 = b，再执行p1 = a，这种现象就叫做编译器重排序

代码示例3
public class Demo1{int a;//成员变量int b;//成员变量public void m1() {int p1 = a;//Load a操作int p2 = b;//Load b操作}
}

CPU重排序
CPU为了流水线饱和，很有可能同编译器一样也会进行重排序的操作，也就是说，对于上述代码，即使编译器不重排序，CPU也有可能进行重排序

内存屏障
那么如何禁止编译器重排序呢？使用一个叫做内存屏障的东西，内存屏障就像一堵墙，屏障两边的代码可以互相排序，但是屏障一侧的代码，不能排序到另一侧，其实本应该分两种情况来说，1种是编译器屏障，在hotspot中使用AT&T语法的拓展内联汇编的volatile关键字来实现，另1种是内存屏障，在hotspot中的拓展内联汇编中加入lock前缀，这两种看不明白没关系，总之记住一句话，能防止两部分代码重排序的方式，就叫做内存屏障，hotspot抽象出了4种屏障，请看下面代码中的注释部分

public class Demo1{int a;int b;public void m1() {int p1 = a;//Load a操作// 如果我在此处加一行代码，能导致先执行a，再执行b，那么这行代码就叫做内存屏障int p2 = b;//Load b操作}
}

LoadLoad屏障
上述代码如果在p1 = a和p2 = b之间加点东西，那么此时这个东西就叫做内存屏障，由于p1 = a和p2 = b都是Load操作，所以这种屏障就叫做LoadLoad屏障，下面的代码是稍微修改之后的代码

public class Demo1{int a;int b;public void m1() {int p1 = a;//Load a操作如果在此行插入屏障，则该屏障叫做LoadLoad屏障int p2 = b;//Load b操作}
}

如果想要禁止重排序，得加上一个LoadLoad屏障，那么具体如何加呢？？在Java语言的层次上，是Unsafe类的fullFence，当然了，程序员无法直接使用该类，而且该类在java9中被其他类替代了，具体是什么我也没研究，总之，能明白这个意思就行，因为对于上述示例来说，真的没有必要禁止重排序，内存屏障主要的使用者是编译器，而不是程序员，后文会给出解释和示例

LoadStore屏障
同理，除了LoadLoad，还有LoadStore，StoreStore，StoreLoad屏障，下面的代码如果想要禁止重排序，则需要添加LoadStore屏障

public class Demo1{int a;int b;public void m1() {int p1 = a;//Load a操作如果在此行插入屏障，则该屏障叫做LoadStore屏障b=666;     //Store b操作}
}

使用屏障的场景
到目前为止，上文虽然表达了什么是屏障，但是只是为了更好的解释什么是内存屏障，并不是真正的使用场景，因为上述代码即使不使用屏障也没有丝毫问题，那么在java中，到底满足哪些条件，才会使用屏障呢？在hotspot中，如果两个挨着的操作，满足如下关系，则会被自动插入内存屏障

根据上表规则可知，如下代码在编译时必定会被插入内存屏障

public class Demo{volatile int v1;int a;public void m1() {int p1 = v1;//Load v1,这个操作也叫读取volatile成员v1这里会被插入LoadStore内存屏障a=666;      //Store a操作，这个操作也叫写入普通成员a}
}

到此为止，这也真正说明了为什么会说volatile有禁止重排序的效果，其实它的本质是编译器根据自己的规则，而这个规则波及到了被volatile修饰的成员变量，所以有人说volatile会禁止重排序，通过上述规则，那么我们可以大胆的推测出下面的代码也会被插入内存屏障

public class Demo{volatile int v1;int a;public void m1() {synchronized (this) {// 进入synchronized（线程进入监视区）这里会被插入LoadStore内存屏障 a = 666; // Store a操作，也叫写入普通成员a} // 退出synchronized（线程退出监视区）这里会被插入StoreLoad内存屏障 a = v1; // Load v1操作，也叫读取volatile成员v1}
}

内存屏障如何实现的？
4中内存屏障，LoadLoad，LoadStore，StoreStore，StoreLoad的实现方式是相同的，它们的源代码是GCC的AT&T内联汇编写的，定义如下

asm volatile ("":::"memory");

没错，如你所想，这行代码就是内存屏障，重点在于它不仅有内存屏障的功能，它还有清空寄存器的语义，"memory"表示每次读取都从主存（而非寄存器）读取数据，所以有内存屏障的地方，读取的数据都是最新的数据，回想本文开头的代码示例1和代码示例2，发现示例2会有volatile的效果，最终答案就是System.out.println方法里面有synchronized块，所以会出现内存屏障，而出现内存屏障，就会从主存读取数据，从而达到获取最新值的效果

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