内存可见性，指令重排序，JIT。。。。。。从一个知乎问题谈起

Posted 2020-10-16 stevenczp

在知乎上看到一个问题《java中volatile关键字的疑惑？》，引起了我的兴趣

 

问题是这样的：

 1 package com.cc.test.volatileTest;
 2 
 3 public class VolatileBarrierExample {
 4     private static boolean stop = false;
 5 
 6     public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
 7         Thread thread = new Thread(new Runnable() {
 8             @Override
 9             public void run() {
10                 while (!stop) {
11                 }
12             }
13         });
14 
15         thread.start();
16         Thread.sleep(1000);
17         stop = true;
18         thread.join();
19     }
20 }

 

这段代码的主要目的是：主线程修改非volatile类型的全局变量stop，子线程轮询stop，如果stop发生变动，则程序退出。

但是如果实际运行这段代码会造成死循环，程序无法正常退出。

如果对Java并发编程有一定的基础，应该已经知道这个现象是由于stop变量不是volatile的，主线程对stop的修改不一定能被子线程看到而引起的。

 

但是题主玩了个花样，额外定义了一个static类型的volatile变量i，在while循环中对i进行自增操作，代码如下所示：

 1 package com.cc.test.volatileTest;
 2 
 3 public class VolatileBarrierExample {
 4     private static boolean stop = false;
 5     private static volatile int i = 0;
 6 
 7     public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
 8         Thread thread = new Thread(new Runnable() {
 9             @Override
10             public void run() {
11                 int i = 0;
12                 while (!stop) {
13                     i++;
14                 }
15             }
16         });
17 
18         thread.start();
19         Thread.sleep(1000);
20         stop = true;
21         thread.join();
22     }
23 }

 

这段程序是可以在运行一秒后结束的，也就是说子线程对volatile类型变量i的读写，使非volatile类型变量stop的修改对于子线程是可见的！

 

 

看起来令人感到困惑，但是实际上这个问题是不成立的。

先给出概括性的答案：stop变量的可见性无论在哪种场景中都没有得到保证。这两个场景中程序是否能正常退出，跟JVM实现与CPU架构有关，没有确定性的答案。

 

下面从两个不同的角度来分析

一：happens-before原则：

第一个场景就不谈了，即使在第二种场景里，虽然子线程中有对volatile类型变量i的读写+非volatile类型变量stop的读，但是主线程中只有对非volatile类型变量stop的写入，因此无法建立 （主线程对stop的写) happens-before于 (子线程对stop的读) 的关系。

也就是不能指望主线程对stop的写一定能被子线程看到。

虽然场景二在实际运行时程序依然正确终止了，但是这个只能算是运气好，如果换一种JVM实现或者换一种CPU架构，可能场景二也会陷入死循环。

可以设想这样的一个场景，主/子线程分别在core1/core2上运行，core1的cache中有stop的副本，core2的cache中有stop与i的副本，而且stop和i不在同一条cacheline里。

core1修改了stop变量，但是由于stop不是volatile的，这个改动可以只发生在core1的cache里，而被修改的cacheline理论上可以永远不刷回内存，这样core2上的子线程就永远也看不到stop的变化了。

二：JIT角度：

由于run方法里的while循环会被执行很多次，所以必然会触发jit编译，下面来分析两种情况下jit编译后的结果（触发了多次jit编译，只贴出最后一次C2等级jit编译后的结果）

如何查看JIT后的汇编码请参看我的这篇博文：《如何在windows平台下使用hsdis与jitwatch查看JIT后的汇编码》

ps. 回答首发于知乎，重新截图太麻烦，因此实际分析使用的Java源码与前面贴的代码略有不同，不影响理解，会意即可。

A. i为run方法内的局部变量的情况：

 

1. 1. 在第一个红框处检测stop变量，如果为true，那么跳转到L0001处继续执行（L0001处再往下走函数就退出了），但此时stop为false，所以不会走这个分支
   2. L0000，inc %ebp。也就是i++
   3. test %eax, -0x239864a(%rip)，轮询SAFEPOINT的操作，可以无视
   4. jmp L0000，无条件跳转回L0000处继续执行i++

 

如果把jit编译后的代码改写回来，大概是这个样子

1 if(!stop){
2      while(true){
3           i++;
4     }
5 }

 

非常明显的指令重排序，JVM觉得每次循环都去访问非volatile类型的stop变量太浪费了，就只在函数执行之初访问一次stop，后续无论stop变量怎么变，都不管了。

第一种情况死循环就是这么来的。

 

B. i为全局的volatile变量的情况：

 

 

从第一个红框开始看：

1. 1. jmp L0001，无条件跳转到label L0001处
   2. movzbl 0x6c(%r10),%r8d; 访问static变量stop，并将其复制到寄存器r8d里
   3. test %r8d, %r8d; je L0000; 如果r8d里的值为0，跳转到L0000处，否则继续往下走（函数结束）
   4. L000: mov 0x68(%r10), %r8d; 访问static变量i，并将其复制到寄存器r8d里
   5. inc %r8d; 自增r8d里的值
   6. mov %r8d, 0x68(%r10); 将自增后r8d里的新值复制回static变量i中（上面三行是i++的流程）
   7. lock addl $0x0, (%rsp); 给rsp寄存器里的值加0，没有任何效果，关键在于前面的lock前缀，会导致cache line的刷新，从而实现变量i的volatile语义
   8. test %eax, -0x242a056(%rip); 轮询SAFEPOINT的操作，可以无视
   9. L0001，回到step 2

也就是说，每次循环都会去访问一次stop变量，最终访问到stop被修改后的新值（但是不能确保在所有JVM与所有CPU架构上都一定能访问到），导致循环结束。

 

 这两种场景的区别主要在于第二种情况的循环中有对static volatile类型变量i的访问，导致jit编译时JVM无法做出激进的优化，是附加的效果。

 

 

总结

涉及到内存可见性的问题，一定要用happens-before原则细致分析。因为你很难知道JVM在背后悄悄做了什么奇怪的优化。