大雄的門(mén)線傳感器
大雄的公司最近在給國(guó)際足球協(xié)會(huì)研制一款門(mén)線傳感器文狱。這可是一個(gè)大單盗棵，組織特地安排了大雄作為首席程序員泽铛，來(lái)開(kāi)發(fā)這款軟件尚辑。
需求很簡(jiǎn)單，傳感器需要在皮球越過(guò)門(mén)線的時(shí)候盔腔，給裁判身上的耳麥發(fā)送消息杠茬，告訴裁判球進(jìn)了。
“So easy”弛随，大雄四兩撥千斤地寫(xiě)了一個(gè)進(jìn)球通知線程：
public class GoalNotifier implements Runnable {
public boolean goal = false;
public boolean isGoal() {
return goal;
}
public void setGoal(boolean goal) {
this.goal = goal;
}
@Override
public void run() {
while (true) {
if (isGoal()) {
System.out.println("Goal !!!!!!");
// Tell the referee the ball is in.
// ...
// reset goal flag
setGoal(false);
}
}
}
}
“只要在比賽一開(kāi)始就啟動(dòng)這個(gè)線程瓢喉，然后當(dāng)球越過(guò)球門(mén)線的時(shí)候，調(diào)用我的setGoal()方法舀透，把進(jìn)球標(biāo)志goal設(shè)置成true就OK了”栓票，大雄對(duì)著投影里的代碼，跟產(chǎn)品經(jīng)理胖虎講解著自己偉大的設(shè)計(jì)。
“很棒走贪！代碼寫(xiě)的非常簡(jiǎn)潔培他，設(shè)計(jì)非常優(yōu)雅捂刺，連我都看不出有什么Bug。靜香，不用浪費(fèi)時(shí)間測(cè)試了梯醒，直接上線吧户辱，時(shí)間就是金錢(qián)烫幕，我們要敢在別的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手之前济炎，推出這款產(chǎn)品！”凯亮，胖虎激動(dòng)的說(shuō)边臼，唾沫橫飛。
“好的假消，我也相信大雄的能力硼瓣！”，靜香含情脈脈的看著大雄置谦，眼里都是崇拜堂鲤。
Oop! Bug!
很快，大雄的門(mén)線傳感器上線了媒峡。英格蘭足協(xié)老總約翰是個(gè)很喜歡新科技的人瘟栖，他迫不及待地想把這項(xiàng)技術(shù)推廣到他的國(guó)家。
這天谅阿，有一場(chǎng)讓世界矚目的友誼賽——曼聯(lián)傳奇隊(duì) vs 阿森納傳奇隊(duì)半哟。“把我們剛剛買(mǎi)過(guò)來(lái)的門(mén)線技術(shù)用上去签餐，讓這群老家伙見(jiàn)識(shí)一下什么是高科技寓涨！”，約翰說(shuō)氯檐。
比賽開(kāi)始戒良，剛開(kāi)場(chǎng)，只見(jiàn)魯尼把球往旁邊一撥冠摄，貝克漢姆就順勢(shì)一腳圓月彎刀糯崎，皮球劃出一道美麗的弧線，飛過(guò)大半個(gè)足球場(chǎng)河泳，阿森納門(mén)將始料不及沃呢，只能目送皮球應(yīng)聲入網(wǎng)！
這個(gè)過(guò)程之迅猛拆挥，只能用下面這段代碼來(lái)描述了：
public class Game {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// Game begun! Init goalNotifier thread
GoalNotifier goalNotifier = new GoalNotifier();
Thread goalNotifierThread = new Thread(goalNotifier);
goalNotifierThread.start();
// After 3s
Thread.sleep(3000);
// Goal !!!
goalNotifier.setGoal(true);
}
}
就在曼聯(lián)隊(duì)隊(duì)員抱在一起慶祝的時(shí)候薄霜，裁判跑了過(guò)來(lái)，宣布進(jìn)球無(wú)效，原因是門(mén)線傳感器沒(méi)有提示他進(jìn)球了惰瓜。否副。。
“What ???”鸵熟，貝克漢姆一臉懵逼副编。负甸。流强。
“大雄，怎么回事呻待？打月？？”蚕捉，約翰氣沖沖的對(duì)旁邊的大雄說(shuō)奏篙。
“啊，難道是線程沒(méi)起來(lái)嗎迫淹？”秘通，大雄也是一臉懵逼，“我加了日志的敛熬，看一下后臺(tái)就知道了肺稀！”
于是大雄登錄了后臺(tái)服務(wù)器，查看了日志信息：
“啊应民，一行日志都沒(méi)有话原。。诲锹》比剩”，大雄很慌归园，“看來(lái)只能求助哆啦了黄虱。。庸诱⌒”
大雄趕緊視頻了正在日本度假的哆啦，視頻里偶翅，哆啦一邊喝著大阪清酒默勾，一邊看著大雄的代碼，大概過(guò)了十秒鐘聚谁，突然掛斷了視頻母剥。
“難道連哆啦也沒(méi)有辦法了。』诽郏”习霹，就在大雄絕望的時(shí)候，他突然收到哆啦發(fā)來(lái)的信息炫隶，打開(kāi)一看淋叶，里面就一個(gè)詞：
volatile
“啊，難道是它伪阶。煞檩。≌ぬ”斟湃，來(lái)不及想太多了，貝克漢姆隨時(shí)都會(huì)再進(jìn)球檐薯，“不能讓我貝失望啊”凝赛，大雄趕緊改了一行代碼：
public class GoalNotifier implements Runnable {
// public boolean goal = false;
public volatile boolean goal = false;
...
剛改完代碼，這邊曼聯(lián)隊(duì)就得到一個(gè)禁區(qū)外任意球的機(jī)會(huì)坛缕，貝克漢姆一記招牌的圓月彎刀墓猎，皮球直掛死角！不過(guò)這次赚楚，大家都沒(méi)慶祝毙沾，而是一致看向了裁判，全場(chǎng)鴉雀無(wú)聲直晨。搀军。。
突然勇皇，主席臺(tái)那里罩句，有一個(gè)像逗比一樣的青年，大聲的吼著敛摘，“Yeah!!! 日志打印出來(lái)了Ｃ爬谩！兄淫！”屯远，聲音之大，響徹全場(chǎng)捕虽。
過(guò)了大概兩秒鐘慨丐，人們才看到裁判把手指向了中圈，示意進(jìn)球有效泄私。房揭。备闲。
volatile和Java內(nèi)存模型
“為什么把goal變量加上volatile修飾符，問(wèn)題就解決了呢捅暴？”恬砂，帶著這個(gè)疑問(wèn)，大雄開(kāi)始研究了起來(lái)蓬痒。漸漸的泻骤，他認(rèn)識(shí)到，看Java代碼梧奢，不能只看表象狱掂，還要透過(guò)Java虛擬機(jī)，去看透本質(zhì)粹断。從JavaSE到JVM符欠，這是一場(chǎng)認(rèn)知的躍遷嫡霞。
首先要解決的問(wèn)題是瓶埋，不加volatile之前，main函數(shù)明明調(diào)用了setGoal()方法诊沪，把goal改成了true养筒，可為什么GoalNotifier線程里的goal還是false？
答案是端姚，主線程里調(diào)用setGoal()方法修改的goal晕粪，和GoalNotifier線程里的goal，是兩個(gè)副本渐裸。
What??? 變量還有副本巫湘？
單看代碼，自然是看不出“副本”的昏鹃，我們必須剝開(kāi)代碼這層皮尚氛，到Java虛擬機(jī)里頭去看看。
在介紹JVM中的“副本”之前洞渤，我們先來(lái)簡(jiǎn)單聊聊物理機(jī)的“副本”阅嘶，因?yàn)镴VM的副本和物理機(jī)的副本很像。
計(jì)算機(jī)载迄，相比于處理器的運(yùn)算速度讯柔，IO操作的速度往往有幾個(gè)數(shù)量級(jí)的差距，因此像下面這段常見(jiàn)的++運(yùn)算：
int count = 0;
...
count ++;
如果計(jì)算機(jī)把count的值存儲(chǔ)在內(nèi)存中护昧，那么每次++操作魂迄，就有一次從內(nèi)存中讀取i的值的操作，以及一次把i的值加1的操作惋耙，別忘了捣炬，還有一次把i的值寫(xiě)進(jìn)去內(nèi)存的操作：
T(一次循環(huán)) = T(讀IO) + T(+1運(yùn)算) + T(寫(xiě)IO)
而IO操作的速度往往比運(yùn)算速度多幾個(gè)數(shù)量級(jí)慈格，所以：
T(一次循環(huán)) ≈ T(讀IO) + T(寫(xiě)IO)
顯然，IO操作的速度嚴(yán)重拖后腿了遥金，不管運(yùn)算速度再快浴捆，只要IO操作還在，這個(gè)++操作的速度就永遠(yuǎn)由IO操作的速度決定稿械。
我們?nèi)祟?lèi)自然不允許這樣的情況發(fā)生选泻，因此我們?cè)谔幚砥骱蛢?nèi)存之間，引入了讀寫(xiě)速度接近處理器運(yùn)算速度的一層高速緩存：
這樣页眯，在上面的++操作里面，count變量只有在初始化的時(shí)候厢呵，需要寫(xiě)入主內(nèi)存窝撵，接著，count就被從主內(nèi)存拷貝到處理器的高速緩存中襟铭，下次再想對(duì)它執(zhí)行++操作時(shí)碌奉，直接從高速緩存中讀取就可以了，++操作執(zhí)行完之后寒砖，也不需要馬上同步到主內(nèi)存赐劣。
雖然各種平臺(tái)都會(huì)有高速緩存和主內(nèi)存，但是不同平臺(tái)的內(nèi)存模型并不完全相同哩都。這也就導(dǎo)致了像C/C++這種直接使用物理機(jī)內(nèi)存模型的編程語(yǔ)言魁兼，有時(shí)候一份代碼在一個(gè)平臺(tái)上可以正常運(yùn)行，去到另一個(gè)平臺(tái)就掛了漠嵌，所以需要“面向平臺(tái)”編程咐汞。而Java，正如廣告語(yǔ)說(shuō)的儒鹿，“Write once, run anywhere”化撕，相同的一份代碼，去到哪個(gè)平臺(tái)都可以直接拿過(guò)去用挺身。
為什么Java這么神奇呢侯谁？這自然是JVM的功勞，你下載JDK的時(shí)候章钾，會(huì)讓你選擇是Windows還是Linux的墙贱。使用不同平臺(tái)的JDK，最大的差異就是JVM了贱傀，相同的一份代碼惨撇，Windows版的JVM幫你把代碼翻譯成Windows系統(tǒng)能識(shí)別的機(jī)器語(yǔ)言，Linux版的JVM則翻譯成Linux的語(yǔ)言府寒。
JVM幫你屏蔽了不同平臺(tái)直接的差異魁衙。
自然的报腔，對(duì)于物理機(jī)的內(nèi)存模型，JVM也要進(jìn)行“介入”剖淀，我們編寫(xiě)的Java代碼纯蛾，是不會(huì)直接去操作物理機(jī)的內(nèi)存的，而是去操作JVM定義的Java內(nèi)存模型（Java Memory Model, JMM）纵隔，再通過(guò)JMM去操作物理機(jī)的內(nèi)存翻诉。
Java的內(nèi)存模型和上面講的物理機(jī)的內(nèi)存模型非常類(lèi)似：
現(xiàn)在再回過(guò)頭來(lái)看大雄碰到的問(wèn)題：main函數(shù)明明調(diào)用了setGoal()方法，把goal改成了true捌刮，可為什么GoalNotifier線程里的goal還是false碰煌？
答案已經(jīng)很明確了，這里面有兩個(gè)線程绅作，main函數(shù)所在的是主線程和GoalNotifier線程芦圾，這兩個(gè)線程都分別從主內(nèi)存從拷貝了一個(gè)goal變量的副本，所以當(dāng)main函數(shù)調(diào)用setGoal()方法修改goal時(shí)俄认，修改的其實(shí)是自己線程工作空間上的那個(gè)副本goal个少，對(duì)主內(nèi)存的goal沒(méi)有影響，對(duì)GoalNotifier線程的goal副本更加沒(méi)有影響梭依，GoalNotifier線程自然就感知不到goal變成true了稍算。
那么典尾，要怎樣才能讓GoalNotifier線程役拴，能夠感知到main函數(shù)修改了goal呢？
很簡(jiǎn)單嘛钾埂，讓main函數(shù)修改了goal之后主動(dòng)同步到主內(nèi)存河闰，并且讓GoalNotifier線程在讀取goal的之前，主動(dòng)從主內(nèi)存去取goal褥紫，事實(shí)上姜性，這就是volatile的原理。
volatile的內(nèi)幕
那么volatile是如何讓修改的變量立刻同步到主內(nèi)存的呢髓考？
同樣部念，單看代碼是看不出來(lái)的，volatile只是我們告訴JVM的一個(gè)標(biāo)志氨菇，那么JVM對(duì)于有volatile和沒(méi)有volatile的代碼儡炼，在翻譯成機(jī)器指令時(shí)，會(huì)有什么不同呢查蓉？
有同學(xué)會(huì)建議用javap命令反匯編查看一下乌询，如果你也這么想，那現(xiàn)在我直接告訴你豌研，不可以妹田，至于為什么唬党，你可以先自行研究，我將在后面單獨(dú)用一篇文章討論鬼佣。
在這里我們要使用JIT級(jí)別的反匯編命令驶拱，原因同樣不在這里贅述。下面簡(jiǎn)單介紹一下方法晶衷。
加入如下虛擬機(jī)參數(shù)：
-XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -Xcomp -XX:+PrintAssembly -XX:CompileCommand=compileonly,*GoalNotifier.setGoal
-XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX:+PrintAssembly：開(kāi)啟JIT反匯編
-Xcomp：讓虛擬機(jī)以編譯模式執(zhí)行代碼屯烦，使得JIT編譯可以立即觸發(fā)
-XX:CompileCommand=compileonly,*GoalNotifier.setGoal：只反匯編GoalNotifier的setGoal方法
然后執(zhí)行兩次代碼，一次加入volatile修飾符房铭，一次不加驻龟，把兩次控制臺(tái)打印的匯編語(yǔ)言，放到文件對(duì)比工具上對(duì)比一下缸匪，打印的信息很多翁狐，但是通過(guò)文件對(duì)比工具，我們可以很清楚的看到凌蔬，加了volatile的代碼中露懒，多了一行代碼：
這行“l(fā)ock add dword ptr”的代碼是干什么用的呢？關(guān)鍵在于lock砂心，這個(gè)lock不是指令懈词，而是指令前綴，我對(duì)匯編語(yǔ)言不熟悉辩诞，這里借用《深入學(xué)習(xí)Java虛擬機(jī)》里的解釋?zhuān)骸發(fā)ock的作用是使得本CPU的Cache寫(xiě)入內(nèi)存坎弯，同時(shí)使其他CPU的Cache無(wú)效”，其實(shí)也就是我們上面講的译暂，將修改后的變量主動(dòng)同步到主內(nèi)存抠忘。
加了虛擬機(jī)參數(shù)后，運(yùn)行的時(shí)候你可能會(huì)看到錯(cuò)誤提示外永，別慌崎脉，很容易解決。另外伯顶，我把我做實(shí)驗(yàn)生成的兩份匯編語(yǔ)言以及其他代碼上傳到Github了囚灼，有興趣的同學(xué)可以下載下來(lái)研究。
總結(jié)
對(duì)于volatile這個(gè)關(guān)鍵字祭衩，可能大家都聽(tīng)過(guò)很多遍灶体，但是由于實(shí)際中很少用到，所以大多不太了解其背后的原理汪厨。這次通過(guò)對(duì)volatile的介紹赃春，順帶講解了Java內(nèi)存模型，同時(shí)也看到了Java虛擬機(jī)在Java中的扮演的地位劫乱，還是那句話织中，看Java代碼锥涕，不能只看表象，還要透過(guò)Java虛擬機(jī)狭吼，去看透本質(zhì)层坠。從JavaSE到JVM，這是一場(chǎng)認(rèn)知的躍遷刁笙。
這篇文章與其說(shuō)是講volatile破花，不如說(shuō)是講JVM。對(duì)volatile的介紹也只提到了它在可見(jiàn)性上的作用疲吸，volatile的另一個(gè)作用——禁止指令重排座每，并沒(méi)有提及，畢竟指令重排是個(gè)很高深的家伙摘悴，我也將在后面的文章中和大家一起探討峭梳。
祝大家春節(jié)快樂(lè)！
