从汇编看Volatile的内存屏障

方老司

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Java的Volatile的特征是任何读都能读到最新值,本质上是JVM通过内存屏障来实现的,让我们看看从字节码以及汇编码的角度,来看下是否真是如此?

一 Volatile与内存屏障

本节内容来自:http://www.infoq.com/cn/artic...

为了实现volatile内存语义,JMM会分别限制重排序类型。下面是JMM针对编译器制定的volatile重排序规则表:

clipboard.png

举例来说,第三行最后一个单元格的意思是:在程序顺序中,当第一个操作为普通变量的读或写时,如果第二个操作为volatile写,则编译器不能重排序这两个操作。

从上表我们可以看出:

  1. 当第二个操作是volatile写时,不管第一个操作是什么,都不能重排序。这个规则确保volatile写之前的操作不会被编译器重排序到volatile写之后。
  2. 当第一个操作是volatile读时,不管第二个操作是什么,都不能重排序。这个规则确保volatile读之后的操作不会被编译器重排序到volatile读之前。
  3. 当第一个操作是volatile写,第二个操作是volatile读时,不能重排序。

为了实现volatile的内存语义,编译器在生成字节码时,会在指令序列中插入内存屏障来禁止特定类型的处理器重排序。对于编译器来说,发现一个最优布置来最小化插入屏障的总数几乎不可能,为此,JMM采取保守策略。下面是基于保守策略的JMM内存屏障插入策略:

  1. 在每个volatile写操作的前面插入一个StoreStore屏障。
  2. 在每个volatile写操作的后面插入一个StoreLoad屏障。
  3. 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadLoad屏障。
  4. 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadStore屏障。

上述内存屏障插入策略非常保守,但它可以保证在任意处理器平台,任意的程序中都能得到正确的volatile内存语义。

下面是保守策略下,volatile写插入内存屏障后生成的指令序列示意图:

clipboard.png

上图中的StoreStore屏障可以保证在volatile写之前,其前面的所有普通写操作已经对任意处理器可见了。这是因为StoreStore屏障将保障上面所有的普通写在volatile写之前刷新到主内存。

这里比较有意思的是volatile写后面的StoreLoad屏障。这个屏障的作用是避免volatile写与后面可能有的volatile读/写操作重排序。因为编译器常常无法准确判断在一个volatile写的后面,是否需要插入一个StoreLoad屏障(比如,一个volatile写之后方法立即return)。为了保证能正确实现volatile的内存语义,JMM在这里采取了保守策略:在每个volatile写的后面或在每个volatile读的前面插入一个StoreLoad屏障。从整体执行效率的角度考虑,JMM选择了在每个volatile写的后面插入一个StoreLoad屏障。因为volatile写-读内存语义的常见使用模式是:一个写线程写volatile变量,多个读线程读同一个volatile变量。当读线程的数量大大超过写线程时,选择在volatile写之后插入StoreLoad屏障将带来可观的执行效率的提升。从这里我们可以看到JMM在实现上的一个特点:首先确保正确性,然后再去追求执行效率。

下面是在保守策略下,volatile读插入内存屏障后生成的指令序列示意图:

clipboard.png

上图中的LoadLoad屏障用来禁止处理器把上面的volatile读与下面的普通读重排序。LoadStore屏障用来禁止处理器把上面的volatile读与下面的普通写重排序。

上述volatile写和volatile读的内存屏障插入策略非常保守。在实际执行时,只要不改变volatile写-读的内存语义,编译器可以根据具体情况省略不必要的屏障。下面我们通过具体的示例代码来说明:

class VolatileBarrierExample {
    int a;
    volatile int v1 = 1;
    volatile int v2 = 2;

    void readAndWrite() {
        int i = v1;           //第一个volatile读
        int j = v2;           // 第二个volatile读
        a = i + j;            //普通写
        v1 = i + 1;          // 第一个volatile写
        v2 = j * 2;          //第二个 volatile写
    }

    …                    //其他方法
}

针对readAndWrite()方法,编译器在生成字节码时可以做如下的优化:

clipboard.png

注意,最后的StoreLoad屏障不能省略。因为第二个volatile写之后,方法立即return。此时编译器可能无法准确断定后面是否会有volatile读或写,为了安全起见,编译器常常会在这里插入一个StoreLoad屏障。

上面的优化是针对任意处理器平台,由于不同的处理器有不同“松紧度”的处理器内存模型,内存屏障的插入还可以根据具体的处理器内存模型继续优化。以x86处理器为例,上图中除最后的StoreLoad屏障外,其它的屏障都会被省略。

前面保守策略下的volatile读和写,在 x86处理器平台可以优化成:

前文提到过,x86处理器仅会对写-读操作做重排序。X86不会对读-读,读-写和写-写操作做重排序,因此在x86处理器中会省略掉这三种操作类型对应的内存屏障。在x86中,JMM仅需在volatile写后面插入一个StoreLoad屏障即可正确实现volatile写-读的内存语义。这意味着在x86处理器中,volatile写的开销比volatile读的开销会大很多(因为执行StoreLoad屏障开销会比较大)。

二 Volatile的字节码

为了搞清楚内存屏障,我们扒开class字节码看一下,用javap -v -p class文件名(不要.class 后缀)运行

volatile int v1;
    descriptor: I
    flags: ACC_VOLATILE
   .....
void readAndWrite();
    descriptor: ()V
    flags:
    Code:
      stack=3, locals=3, args_size=1
         0: aload_0
         1: getfield      #52                 // Field v1:I
         4: istore_1
         5: aload_0
         6: getfield      #54                 // Field v2:I
         9: istore_2
        10: aload_0
        11: iload_1
        12: iload_2
        13: iadd
        14: putfield      #72                 // Field a:I
        17: aload_0
        18: iload_1
        19: iconst_1
        20: isub
        21: putfield      #52                 // Field v1:I
        24: aload_0
        25: iload_2
        26: iload_1
        27: imul
        28: putfield      #54                 // Field v2:I
        31: return

除了其变量定义的时候有一个Volatile外,之后的字节码跟有无Volatile完全一样,于是我们又扒了下汇编代码

三 Volatile的汇编码

为了看到汇编码,要使用hsdis插件, 在mac系统下需要安装一个hsdis-amd64.dylib的插件。在网上找了一个,地址在这里
下载下来后,将其放置到你的jre lib目录下即可。
mac系统上命令如下,

sudo mv ./hsdis-amd64.dylib  /Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_31.jdk/Contents/Home/jre/lib

然后再运行

java -XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX:+PrintAssembly -Xcomp -XX:CompileCommand=dontinline,*VolatileBarrierExample.readAndWrite -XX:CompileCommand=compileonly,*VolatileBarrierExample.readAndWrite com.earnfish.VolatileBarrierExample > out.put

其中*VolatileBarrierExample.readAndWrite表示你运行的类.函数, com.earnfish.VolatileBarrierExample表示你的包名.类名,注意需要有main函数来运行你所要执行的函数。得出汇编码如下

  0x000000011214bb49: mov    %rdi,%rax
  0x000000011214bb4c: dec    %eax
  0x000000011214bb4e: mov    %eax,0x10(%rsi)
  0x000000011214bb51: lock addl $0x0,(%rsp)     ;*putfield v1
                                                ; - com.earnfish.VolatileBarrierExample::readAndWrite@21 (line 35)

  0x000000011214bb56: imul   %edi,%ebx
  0x000000011214bb59: mov    %ebx,0x14(%rsi)
  0x000000011214bb5c: lock addl $0x0,(%rsp)     ;*putfield v2
                                                ; - com.earnfish.VolatileBarrierExample::readAndWrite@28 (line 36)

其对应的Java代码如下

 v1 = i - 1;          // 第一个volatile写
 v2 = j * i;          // 第二个volatile写

可见其本质是通过一个lock指令来实现的。那么lock是什么意思呢?

查询IA32手册,它的作用是使得本CPU的Cache写入了内存,该写入动作也会引起别的CPU invalidate其Cache。所以通过这样一个空操作,可让前面volatile变量的修改对其他CPU立即可见。

所以,它的作用是

  1. 锁住主存
  2. 任何读必须在写完成之后再执行
  3. 使其它线程这个值的栈缓存失效

类似于前面是storestore,后面是storeload

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