理解 JVM 的 8 个原子操作与 `volatile` 的语义

理解 JVM 的 8 个原子操作与 volatile 的语义

在并发编程中，volatile 常常被提及。但要真正理解它的作用，需要先回到 Java 内存模型（JMM） 的基础：线程与主内存之间的交互。JMM 定义了 8 个原子操作 来描述这些交互过程，而 volatile 的语义正是基于它们实现的。

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JVM 的 8 个原子操作

JMM 把 主内存、工作内存 和 执行引擎 的数据交互拆分成了 8 个最小操作，这些操作是并发语义的基石：

1. lock（锁定）
   将主内存中的变量标记为某个线程独占。

2. unlock（解锁）
   解除独占标记，使变量可被其他线程访问。

3. read（读取）
   从主内存中读取变量值，传输到线程的通道。

4. load（载入）
   将 read 到的值写入线程工作内存的变量副本。

5. use（使用）
   将工作内存中的值传给执行引擎使用。

6. assign（赋值）
   将执行引擎计算后的值赋给工作内存中的变量副本。

7. store（存储）
   将工作内存的值传输到通道。

8. write（写入）
   将 store 传来的值写入主内存。

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四组配对关系

这 8 个操作其实是 四组成对动作：

• lock / unlock：保证变量在某一时刻只有一个线程独占。
• read / load：把主内存的值带入工作内存。
• store / write：把工作内存的值写回主内存。
• use / assign：工作内存与执行引擎之间的数据交互。

示意图：

主内存 <──read/load──> 工作内存 <──use/assign──> 执行引擎
^ │
└─────────────store/write───────────┘

其中 use/assign 仅在 线程内部 发生，对跨线程的可见性影响不大，因此开发者平时不太关心它。

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volatile 的语义

volatile 并不会改变 8 个原子操作的存在方式，而是通过 内存屏障 来影响其中部分操作的执行顺序和可见性：

1. 保证可见性

   • 写入 volatile 变量：强制执行 store → write，立即刷新主内存。
   • 读取 volatile 变量：强制执行 read → load，直接从主内存取值。

2. 保证有序性

   • 在 volatile 写操作前后，JVM 插入 StoreStore、StoreLoad 屏障，防止指令重排。
   • 在 volatile 读操作后，插入 LoadLoad、LoadStore 屏障，确保读到的值对后续操作可见。

3. 不保证原子性

   • volatile 只能保证单次读/写的原子性。
   • 对于复合操作（如 count++），依然会分解成多步（read → load → use → assign → store → write），在多线程下可能出现 丢失更新。

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为什么 use / assign 看似多余？

有人会觉得 use/assign 没有必要，因为我们写代码时从未直接操作过它。实际上：

• read/load、store/write 关注的是 线程与主内存之间 的数据交换。
• use/assign 关注的是 线程工作内存与执行引擎之间 的交互。

这部分虽然我们平时感知不到，但在 JMM 的规范 层面，它是必须被定义的，否则无法保证指令级别的精确定义。

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总结

• JVM 的 8 个原子操作分别是：lock / unlock / read / load / use / assign / store / write。
• 它们可以配对为四组：
  • lock/unlock
  • read/load
  • store/write
  • use/assign
• volatile 主要约束的是 read+load、store+write，配合内存屏障保证 可见性 + 有序性。
• volatile 不保证复合操作的原子性，如果需要保证，需要 CAS 或 锁。

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✍️ 记住一句话：
volatile 让读写操作直达主内存，并通过内存屏障保证顺序，但不会把复合操作变成原子操作。