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您的位置:首页 > 程序设计 >Java > java 中volatile和lock原理分析

java 中volatile和lock原理分析

作者:刘正阳 字体:[增加 减小] 来源:互联网 时间:2017-05-28

刘正阳 通过本文主要向大家介绍了java中volatile关键字,java中volatile,java中volatile的用法,java中volatile的作用,java volatile等相关知识,希望对您有所帮助,也希望大家支持linkedu.com www.linkedu.com

java 中volatile和lock原理分析

volatile和lock是Java中用于线程协同同步的两种机制。

Volatile

volatile是Java中的一个关键字,它的作用有

  • 保证变量的可见性
  • 防止重排序
  • 保证64位变量(long,double)的原子性读写

volatile在Java语言规范中规定的是

The Java programming language allows threads to access shared variables (§17.1). As a rule, to ensure 
that shared variables are consistently and reliably updated, a thread should ensure that it
 has exclusive use of such variables by obtaining a lock that, conventionally, enforces mutual 
exclusion for those shared variables.
The Java programming language provides a second mechanism, volatile fields, that is more convenient 
than locking for some purposes.
A field may be declared volatile, in which case the Java Memory Model ensures that all threads 
see a consistent value for the variable .
It is a compile-time error if a final variable is also declared volatile.

</div>

Java内存模型中规定了volatile的happen-before效果,对volatile变量的写操作happen-before于后续的读。这样volatile变量能够确保一个线程的修改对其他线程可见。volatile因为不能保证原子性,所以不能在有约束或后验条件的场景下使用,如i++,常用的场景是stop变量保证系统停止对其他线程可见,double-check lock单例中防止重排序来保证安全发布等。

以下面这段代码为例

public class TestVolatile {
  private static volatile boolean stop = false;
  public static void main(String[] args) {
    stop = true;
    boolean b = stop;
  }
}
</div>

stop字段声明为volatile类型后,编译后的字节码中其变量的access_flag中ACC_VOLATILE位置为1。

关键的字节码内容如下

 public static void main(java.lang.String[]);
  descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
  Code:
   stack=1, locals=2, args_size=1
     0: iconst_1
     1: putstatic   #2         // Field stop:Z
     4: getstatic   #2         // Field stop:Z
     7: istore_1
     8: return
   LineNumberTable:
    line 14: 0
    line 15: 4
    line 16: 8
   LocalVariableTable:
    Start Length Slot Name  Signature
      0    9   0 args  [Ljava/lang/String;
      8    1   1   b  Z
 static {};
  descriptor: ()V
  flags: ACC_STATIC
  Code:
   stack=1, locals=0, args_size=0
     0: iconst_0
     1: putstatic   #2         // Field stop:Z
     4: return
   LineNumberTable:
    line 11: 0
}
</div>

通过hsdis查看虚拟机产生的汇编代码。

测试环境为java version “1.8.0_45”,MACOS10.12.1 i386:x86-64

在执行参数上添加

-XX:+UnlockDiagnosticVMOptions
-XX:+LogCompilation
-XX:+PrintAssembly
-Xcomp
-XX:CompileCommand=dontinline,*TestVolatile.main
-XX:CompileCommand=compileonly,*TestVolatile.main
</div>

查看main方法的汇编指令结果

Decoding compiled method 0x000000010c732c50:
Code:
[Disassembling for mach='i386:x86-64']
[Entry Point]
[Verified Entry Point]
[Constants]
 # {method} {0x000000012422a2c8} 'main' '([Ljava/lang/String;)V' in 'com/concurrent/volatiles/TestVolatile'
 # parm0:  rsi:rsi  = '[Ljava/lang/String;'
 #      [sp+0x40] (sp of caller)
 0x000000010c732da0: mov  %eax,-0x14000(%rsp)
 0x000000010c732da7: push  %rbp
 0x000000010c732da8: sub  $0x30,%rsp
 0x000000010c732dac: movabs $0x12422a448,%rdi ;  {metadata(method data for {method} {0x000000012422a2c8} 'main' '([Ljava/lang/String;)V' in 'com/concurrent/volatiles/TestVolatile')}
 0x000000010c732db6: mov  0xdc(%rdi),%ebx
 0x000000010c732dbc: add  $0x8,%ebx
 0x000000010c732dbf: mov  %ebx,0xdc(%rdi)
 0x000000010c732dc5: movabs $0x12422a2c8,%rdi ;  {metadata({method} {0x000000012422a2c8} 'main' '([Ljava/lang/String;)V' in 'com/concurrent/volatiles/TestVolatile')}
 0x000000010c732dcf: and  $0x0,%ebx
 0x000000010c732dd2: cmp  $0x0,%ebx
 0x000000010c732dd5: je   0x000000010c732e03 ;*iconst_1
                        ; - com.concurrent.volatiles.TestVolatile::main@0 (line 14)
 0x000000010c732ddb: movabs $0x76adce798,%rsi ;  {oop(a 'java/lang/Class' = 'com/concurrent/volatiles/TestVolatile')}
 0x000000010c732de5: mov  $0x1,%edi
 0x000000010c732dea: mov  %dil,0x68(%rsi)
 0x000000010c732dee: lock addl $0x0,(%rsp)   ;*putstatic stop
                        ; - com.concurrent.volatiles.TestVolatile::main@1 (line 14)
 0x000000010c732df3: movsbl 0x68(%rsi),%esi  ;*getstatic stop
                        ; - com.concurrent.volatiles.TestVolatile::main@4 (line 15)
 0x000000010c732df7: add  $0x30,%rsp
 0x000000010c732dfb: pop  %rbp
 0x000000010c732dfc: test  %eax,-0x3adbd02(%rip)    # 0x0000000108c57100
                        ;  {poll_return}
 0x000000010c732e02: retq  
 0x000000010c732e03: mov  %rdi,0x8(%rsp)
 0x000000010c732e08: movq  $0xffffffffffffffff,(%rsp)
 0x000000010c732e10: callq 0x000000010c7267e0 ; OopMap{rsi=Oop off=117}
                        ;*synchronization entry
                        ; - com.concurrent.volatiles.TestVolatile::main@-1 (line 14)
                        ;  {runtime_call}
 0x000000010c732e15: jmp  0x000000010c732ddb
 0x000000010c732e17: nop
 0x000000010c732e18: nop
 0x000000010c732e19: mov  0x2a8(%r15),%rax
 0x000000010c732e20: movabs $0x0,%r10
 0x000000010c732e2a: mov  %r10,0x2a8(%r15)
 0x000000010c732e31: movabs $0x0,%r10
 0x000000010c732e3b: mov  %r10,0x2b0(%r15)
 0x000000010c732e42: add  $0x30,%rsp
 0x000000010c732e46: pop  %rbp
 0x000000010c732e47: jmpq  0x000000010c6940e0 ;  {runtime_call}  
[Exception Handler]
</div>

可以看到在mov %dil,0x68(%rsi)给stop赋值后增加了lock addl $0x0,(%rsp)

IA32中对lock的说明是

The LOCK # signal is asserted during execution of the instruction following 
the lock prefix. This signal can be used in a multiprocessor system to ensure 
exclusive use of shared memory while LOCK # is asserted
</div>

lock用于在多处理器中执行指令时对共享内存的独占使用。它的副作用是能够将当前处理器对应缓存的内容刷新到内存,并使其他处理器对应的缓存失效。另外还提供了有序的指令无法越过这个内存屏障的作用。

Lock

Java中提供的锁的关键字是synchronized, 可以加在方法块上,也可以加在方法声明中。

synchronized关键字起到的作用是设置一个独占访问临界区,在进入这个临界区前要先获取对应的监视器锁,任何Java对象都可以成为监视器锁,声明在静态方法上时监视器锁是当前类的Class对象,实例方法上是当前实例。
synchronized提供了原子性、可见性和防止重排序的保证。

JMM中定义监视器锁的释放操作happen-before与后续的同一个监视器锁获取操作。再结合程序顺序规则就可以形成内存传递可见性保证。

下面以一段代码查看各个层次的实现

public class TestSynchronize {
  private int count;
  private void inc() {
    synchronized (this) {
      count++;
    }
  }
  public static void main(String[] args) {
    new TestSynchronize().inc();
  }
}
</div>

编译后inc方法的字节码为

private void inc();
  descriptor: ()V
  flags: ACC_PRIVATE
  Code:
   stack=3, locals=3, args_size=1
    0: aload_0
    1: dup
    2: astore_1
    3: monitorenter
    4: aload_0
    5: dup
    6: getfield   #2         // Field count:I
    9: iconst_1
    10: iadd
    11: putfield   #2         // Field count:I
    14: aload_1
    15: monitorexit
    16: goto     24
    19: astore_2
    20: aload_1
    21: monitorexit
    22: aload_2
    23:



 
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