Java并发控制：volatile和synchronized的底层实现原理

概述

在 Java 中，volatile 和 synchronized 是两种重要的并发控制机制，它们用于保证多线程环境下的数据一致性。volatile 用于声明一个变量的可见性和禁止指令重排，而 synchronized 用于确保代码块或方法的互斥访问。
本文将深入探讨这两个关键字的底层实现原理和技术细节。

volatile 的实现原理

基本概念

volatile 关键字用于声明一个变量在多线程环境下的可见性。当一个线程修改了一个被声明为 volatile 的变量后，这个修改对其他线程是立即可见的。此外，volatile 还禁止了编译器和处理器对这些变量的指令重排，从而确保了内存访问的顺序性。

作用

可见性（Visibility）：当一个线程修改了 volatile 变量的值时，这个变量的新值会立即被写回主内存，而其他线程会立即看到这个新值。这确保了所有线程对共享变量的修改都是可见的，避免了一个线程修改了变量值而其他线程不知道的情况。
禁止指令重排序： volatile 关键字禁止了指令重排序，确保了一些关键操作的执行顺序。在没有 volatile 的情况下，编译器和处理器可能会对指令进行重排序，导致多线程环境下的程序出现不可预期的错误。
保证原子性（Atomicity）：尽管 volatile 不能保证复合操作的原子性，但它确保了对单个变量的读/写操作是原子的。这意味着一个线程在写入 volatile 变量时，其他线程不能同时进行写操作，从而避免了竞态条件。

虽然 volatile 提供了一定程度上的线程安全性，但它并不能解决所有的并发问题。对于一些复合操作（例如检查-更新操作），仍然需要额外的同步手段，例如使用 synchronized 关键字或 java.util.concurrent 包提供的工具类。

底层实现细节

字节码层面

创建一个新的Java类，并声明一个volatile变量。

package org.hbin.bytecode;

/**
 * @author Haley
 * @version 1.0
 * 2024/8/22
 */
public class VolatileTest {
   
   
    volatile int num;
}

编译这个类
使用反汇编工具查看class文件内容
对照上述字段访问标志表和源码分析，我们可以得知字节码文件中的该变量访问标志为0x0040，即ACC_VOLATILE。

JVM层面

volatile的底层实现跟JMM息息相关，我们先了解下JMM是什么？

JMM

《Java虚拟机规范》中曾试图定义一种“Java内存模型”（Java Memory Model，简称JMM）来屏蔽各种硬件和操作系统的内存访问差异，以实现让Java程序在各种平台下都能达到一致的内存访问效果。
Java内存模型是一种抽象的概念，并不真实存在，它描述的是一组规则或规范，通过这组规范定义了程序中各个变量（包括实例字段，静态字段和构成数组对象的元素）的访问方式。
在这里插入图片描述
简单来说：在JMM中，每个线程都有自己的工作内存（也称为本地内存），它存储着线程私有的数据副本，包括栈帧、程序计数器等。而主内存则是所有线程共享的内存区域，它存储着所有的共享变量。
当线程访问共享变量时，它首先会把共享变量从主内存中读取到自己的工作内存中进行操作，包括读取、修改和写入。然后，线程对变量的操作完成后，必须将结果刷新到主内存中，以便其他线程可以看到最新的值。这个过程可以看作是线程和主内存之间的数据同步。
关于主内存与工作内存之间具体的交互协议，即一个变量如何从主内存拷贝到工作内存、如何从工作内存同步回主内存之类的实现细节，Java内存模型中定义了以下8种操作来完成，虚拟机实现时必须保证下面的每一种操作都是原子的、不可再分的（对于double和long类型的变量有例外，别说。）