volatile是否能保证数组中元素的可见性?

在javaeye有位朋友问了我一个非常好的问题。

问题

一个线程向volatile的数组中设置值,而另一个线程向volatile的数组中读取。
比如seg.setValue(2),随后另一个线程调用seg.getValue(2),前一个线程设置的值对读取的线程是可见的吗?

我看书上说volatile的数组只针对数组的引用具有volatile的语义,而不是它的元素。

ConcurrentHashMap中也有这样的代码,我很疑惑,希望得到你的解答,谢谢。

public class Seg {

private volatile Object[] tabs = new Object[10];

public void setValue(int index) {
tabs[index] = new Object();
}

public Object getValue(int index) {
return tabs[index];
}
}

我的回答

我做了实验证实这句话是正确的,“volatile的数组只针对数组的引用具有volatile的语义,而不是它的元素”。

测试代码如下:
private static volatile Object[] tabs = new Object[10];

public static void main(String[] args) {
tabs[0]=1;

tabs=new Object[10];
}

编译成汇编语句如下

Java HotSpot(TM) Client VM warning: PrintAssembly is enabled; turning on DebugNonSafepoints to gain additional output
CompilerOracle: compileonly *ArrayTest.main
Loaded disassembler from D:\java\jdk1.6.0_33\jre\bin\client\hsdis-i386.dll
Decoding compiled method 0x009ec7c8:
Code:
[Disassembling for mach='i386']
[Entry Point]
[Verified Entry Point]
[Constants]
# {method} 'main' '([Ljava/lang/String;)V' in 'volatileTest/ArrayTest'
# parm0: ecx = '[Ljava/lang/String;'
# [sp+0x30] (sp of caller)
0x009ec8e0: mov %eax,-0x3000(%esp)
0x009ec8e7: push %ebp
0x009ec8e8: sub $0x28,%esp
0x009ec8eb: mov $0x32aa1eb0,%esi ; {oop('volatileTest/ArrayTest')}
0x009ec8f0: mov 0x150(%esi),%edi ;*getstatic tabs
; - volatileTest.ArrayTest::main@0 (line 7)
0x009ec8f6: mov $0x1,%ecx ;*invokestatic valueOf
; - volatileTest.ArrayTest::main@5 (line 7)
0x009ec8fb: mov %esi,0x14(%esp)
0x009ec8ff: mov %edi,0x10(%esp)
0x009ec903: call 0x009ad340 ; OopMap{[20]=Oop [16]=Oop off=40}
;*invokestatic valueOf
; - volatileTest.ArrayTest::main@5 (line 7)
; {static_call}
0x009ec908: mov 0x10(%esp),%edi
0x009ec90c: lea 0xc(%edi),%ebx
0x009ec90f: cmpl $0x0,0x8(%edi) ; implicit exception: dispatches to 0x009eca07
0x009ec916: jbe 0x009eca11
0x009ec91c: cmp $0x0,%eax
0x009ec91f: je 0x009ec960
0x009ec925: mov 0x4(%edi),%edx ; implicit exception: dispatches to 0x009eca1d
0x009ec928: mov 0x4(%eax),%esi
0x009ec92b: mov 0x88(%edx),%edx
0x009ec931: cmp %edx,%esi
0x009ec933: je 0x009ec960
0x009ec939: mov 0x10(%edx),%edi
0x009ec93c: cmp (%esi,%edi,1),%edx
0x009ec93f: je 0x009ec960
0x009ec945: cmp $0x14,%edi
0x009ec948: jne 0x009eca22
0x009ec94e: push %esi
0x009ec94f: push %edx
0x009ec950: call 0x009ebb40 ; {runtime_call}
0x009ec955: pop %esi
0x009ec956: pop %edx
0x009ec957: cmp $0x0,%edx
0x009ec95a: je 0x009eca22
0x009ec960: mov %eax,(%ebx)
0x009ec962: shr $0x9,%ebx
0x009ec965: movb $0x0,0x28eb100(%ebx) ;*aastore
; - volatileTest.ArrayTest::main@8 (line 7)
0x009ec96c: mov $0xa,%ebx
0x009ec971: mov $0x37a0e380,%edx ; {oop('java/lang/Object'[])}
0x009ec976: mov %ebx,%edi
0x009ec978: cmp $0xffffff,%ebx
0x009ec97e: ja 0x009eca27
0x009ec984: mov $0x13,%esi
0x009ec989: lea (%esi,%ebx,4),%esi
0x009ec98c: and $0xfffffff8,%esi
0x009ec98f: mov %fs:0x0(,%eiz,1),%ecx
0x009ec997: mov -0xc(%ecx),%ecx
0x009ec99a: mov 0x34(%ecx),%eax
0x009ec99d: lea (%eax,%esi,1),%esi
0x009ec9a0: cmp 0x3c(%ecx),%esi
0x009ec9a3: ja 0x009eca27
0x009ec9a9: mov %esi,0x34(%ecx)
0x009ec9ac: sub %eax,%esi
0x009ec9ae: movl $0x1,(%eax)
0x009ec9b4: mov %edx,0x4(%eax)
0x009ec9b7: mov %ebx,0x8(%eax)
0x009ec9ba: sub $0xc,%esi
0x009ec9bd: je 0x009ec9e3
0x009ec9c3: xor %ebx,%ebx
0x009ec9c5: shr $0x3,%esi
0x009ec9c8: jae 0x009ec9d8
0x009ec9ce: mov %ebx,0xc(%eax,%esi,8)
0x009ec9d2: je 0x009ec9e3
0x009ec9d8: mov %ebx,0x8(%eax,%esi,8)
0x009ec9dc: mov %ebx,0x4(%eax,%esi,8)
0x009ec9e0: dec %esi
0x009ec9e1: jne 0x009ec9d8
0x009ec9e3: mov 0x14(%esp),%esi
0x009ec9e7: mov %eax,0x150(%esi)
0x009ec9ed: shr $0x9,%esi
0x009ec9f0: movb $0x0,0x28eb100(%esi)
0x009ec9f7: lock addl $0x0,(%esp) ;*putstatic tabs
; - volatileTest.ArrayTest::main@14 (line 9)
0x009ec9fc: add $0x28,%esp
0x009ec9ff: pop %ebp
0x009eca00: test %eax,0x950100 ; {poll_return}
0x009eca06: ret
0x009eca07: call 0x009ea4d0 ; OopMap{[20]=Oop eax=Oop edi=Oop off=300}
;*aastore
; - volatileTest.ArrayTest::main@8 (line 7)
; {runtime_call}
0x009eca0c: call 0x009ea4d0 ; OopMap{[20]=Oop eax=Oop edi=Oop off=305}
;*aastore
; - volatileTest.ArrayTest::main@8 (line 7)
; {runtime_call}
0x009eca11: movl $0x0,(%esp)
0x009eca18: call 0x009ea1d0 ; OopMap{[20]=Oop eax=Oop edi=Oop off=317}
;*aastore
; - volatileTest.ArrayTest::main@8 (line 7)
; {runtime_call}
0x009eca1d: call 0x009ea4d0 ; OopMap{[20]=Oop eax=Oop off=322}
;*aastore
; - volatileTest.ArrayTest::main@8 (line 7)
; {runtime_call}
0x009eca22: call 0x009eb850 ; OopMap{[20]=Oop eax=Oop off=327}
;*aastore
; - volatileTest.ArrayTest::main@8 (line 7)
; {runtime_call}
0x009eca27: call 0x009eb1c0 ; OopMap{[20]=Oop off=332}
;*anewarray
; - volatileTest.ArrayTest::main@11 (line 9)
; {runtime_call}
0x009eca2c: jmp 0x009ec9e3
0x009eca2e: nop
0x009eca2f: nop
0x009eca30: mov %fs:0x0(,%eiz,1),%esi
0x009eca38: mov -0xc(%esi),%esi
0x009eca3b: mov 0x184(%esi),%eax
0x009eca41: movl $0x0,0x184(%esi)
0x009eca4b: movl $0x0,0x188(%esi)
0x009eca55: add $0x28,%esp
0x009eca58: pop %ebp
0x009eca59: jmp 0x009bb5c0 ; {runtime_call}
0x009eca5e: hlt
0x009eca5f: hlt
[Stub Code]
0x009eca60: nop ; {no_reloc}
0x009eca61: nop
0x009eca62: mov $0x0,%ebx ; {static_stub}
0x009eca67: jmp 0x009eca67 ; {runtime_call}
[Exception Handler]
0x009eca6c: call 0x009eb600 ; {runtime_call}
0x009eca71: push $0x6db038d4 ; {external_word}
0x009eca76: call 0x009eca7b
0x009eca7b: pusha
0x009eca7c: call 0x6da09de0 ; {runtime_call}
0x009eca81: hlt
[Deopt Handler Code]
0x009eca82: push $0x9eca82 ; {section_word}
0x009eca87: jmp 0x009ad970 ; {runtime_call}

 

可以看到line 7给数组的某个元素赋值时没有lock前缀的指令。
而修改数组line 9才有lock前缀的指令。

0x009ec9f7: lock addl $0x0,(%esp) ;*putstatic tabs
; - volatileTest.ArrayTest::main@14 (line 9)

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方 腾飞

花名清英,并发网(ifeve.com)创始人,畅销书《Java并发编程的艺术》作者,蚂蚁金服技术专家。目前工作于支付宝微贷事业部,关注互联网金融,并发编程和敏捷实践。微信公众号aliqinying。
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  • Comments (9)
    • bells
    • 01/21. 2013 9:40am

    文章中汇编语句是如何生成的?
    我用javap生成的字节码 看不出区别来

  1. 这个问题有意思,再发散下,想到了另一个问题,如下代码:

    public class Seg {
     
    	private volatile Object[] tabs = new Object[10];
     
    	public void setValue(int index) {
    		tabs[index] = new Object();
    		tabs = tabs;
    	}
     
    	public Object getValue(int index) {
    		return tabs[index];
    	}
    }
    

    如上在set中有个对volatile引用的一个赋值操作,当然这句代码有可能被当做无用代码消除掉,但这句volatile store应该是有着内存语义的,如果真的消除这句代码,根据http://ifeve.com/jmm-cookbook-mb/中的第一段这样的描述“但在多核处理器上通常需要使用内存屏障指令来确保这种一致性。即使编译器优化掉了一个字段访问(例如,因为一个读入的值未被使用),这种情况下还是需要产生内存屏障,就好像这个访问仍然需要保护。”
    那么我猜想,假设做set的操作只有一个线程(多个线程就存在数据争用了),那么这样给数组元素赋值在另一个线程就是可见的。

    • 如果get和set跑在不同的CPU里,我觉得应该是不可见的。因为tabs[index]和tabs应该使用的不同的缓存行。tabs的volatile写操作只能保证访问tabs的引用地址是可见。不能保证访问tabs[index]的引用可见。

      但是我觉得像CopyOnWriteArrayList把数组复制一份就可以可见,因为它们会加载到新的缓存里。

      tabs = new Object[10];
      tabs[index] = new Object();
      tabs = tabs;
      
      • 细想了下,确实不行,我是想通过happens-before关系来分析,但是之前的认识有点错误,找了些资料:

        资料1:JLS 第17章中的
        Two actions can be ordered by a happens-before relationship. If one action happens-before another, then the first is visible to and ordered before the second

        If we have two actions x and y, we write hb(x, y) to indicate that x happens-before
        y.

        When a program contains two conflicting accesses (§17.4.1) that are not ordered by a happens-before relationship, it is said to contain a data race.

        Two accesses to (reads of or writes to) the same variable are said to be conflicting if at least one of the accesses is a write.

        资料2:《Java Concurrency in practice》16.1.4. Piggybacking on Synchronization。

        资料3:http://ifeve.com/happens-before/ 的最后一个例子。

        上面改过后的代码,如果轨迹是这样的:
        a.t1读取数组引用
        b.t1写入数组元素
        c.t1写入数组引用
        d.t2读取数组引用
        e.t2读取数组元素
        上面这个轨迹中有hb(c,d),在根据程序顺序规则以及hb的传递性,可以得到hb(b,e),这样t1写入数组的元素对t2就是可见的。

        但是,可能存在这样的一种轨迹:
        a.t2读取数组引用
        b.t1读取数组引用
        c.t1写入数组元素
        d.t1写入数组引用
        e.t2读取数组元素

        这个轨迹中c和e之间存在数据争用,也没有happens-before关系,因此,可见性也就无法保证。

      • michaelchan
      • 03/16. 2016 9:47pm

      public class Seg {
      private volatile Object[] tabs = new Object[10];

      public void setValue(int index) {
      tabs[index] = new Object();
      tabs = tabs;
      }

      public Object getValue(int index) {
      return getArray()[index];
      }

      private Object[] getArray() {
      return tabs;
      }
      }

      这样子就是正确的,你看呢?

    • ryo
    • 08/27. 2014 9:57pm

    LZ分析的是对的。

    • ryo
    • 08/27. 2014 9:59pm

    所以,在很多源代码中都是直接用新对象替换老对象。

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