java 高并發(fā)中volatile的實(shí)現(xiàn)原理

摘要: 在多線程并發(fā)編程中synchronized和Volatile都扮演著重要的角色，Volatile是輕量級(jí)的synchronized，它在多處理器開(kāi)發(fā)中保證了共享變量的“可見(jiàn)性”?？梢?jiàn)性的意思是當(dāng)一個(gè)線程修改一個(gè)共享變量時(shí)，另外一個(gè)線程能讀到這個(gè)修改的值。它在某些情況下比synchronized的開(kāi)銷更小

1. 定義：

java編程語(yǔ)言允許線程訪問(wèn)共享變量，為了確保共享變量能被準(zhǔn)確和一致的更新，線程應(yīng)該確保通過(guò)排他鎖單獨(dú)獲得這個(gè)變量。Java語(yǔ)言提供了volatile，在某些情況下比鎖更加方便。如果一個(gè)字段被聲明成volatile，java線程內(nèi)存模型確保所有線程看到這個(gè)變量的值是一致的

2. volatile實(shí)現(xiàn)原理

那么Volatile是如何來(lái)保證可見(jiàn)性的呢？在x86處理器下通過(guò)工具獲取JIT編譯器生成的匯編指令來(lái)看看對(duì)Volatile進(jìn)行寫(xiě)操作CPU會(huì)做什么事情。

Java代碼： instance = new Singleton();//instance是volatile變量

匯編代碼： 0x01a3de1d: movb $0x0,0x1104800(%esi);0x01a3de24: lock addl $0x0,(%esp);

有volatile變量修飾的共享變量進(jìn)行寫(xiě)操作的時(shí)候會(huì)多第二行匯編代碼，通過(guò)查IA-32架構(gòu)軟件開(kāi)發(fā)者手冊(cè)可知，lock前綴的指令在多核處理器下會(huì)引發(fā)了兩件事情。

將當(dāng)前處理器緩存行的數(shù)據(jù)會(huì)寫(xiě)回到系統(tǒng)內(nèi)存。

這個(gè)寫(xiě)回內(nèi)存的操作會(huì)引起在其他CPU里緩存了該內(nèi)存地址的數(shù)據(jù)無(wú)效。

處理器為了提高處理速度，不直接和內(nèi)存進(jìn)行通訊，而是先將系統(tǒng)內(nèi)存的數(shù)據(jù)讀到內(nèi)部緩存（L1,L2或其他）后再進(jìn)行操作，但操作完之后不知道何時(shí)會(huì)寫(xiě)到內(nèi)存，如果對(duì)聲明了Volatile變量進(jìn)行寫(xiě)操作，JVM就會(huì)向處理器發(fā)送一條Lock前綴的指令，將這個(gè)變量所在緩存行的數(shù)據(jù)寫(xiě)回到系統(tǒng)內(nèi)存。但是就算寫(xiě)回到內(nèi)存，如果其他處理器緩存的值還是舊的，再執(zhí)行計(jì)算操作就會(huì)有問(wèn)題，所以在多處理器下，為了保證各個(gè)處理器的緩存是一致的，就會(huì)實(shí)現(xiàn)緩存一致性協(xié)議，每個(gè)處理器通過(guò)嗅探在總線上傳播的數(shù)據(jù)來(lái)檢查自己緩存的值是不是過(guò)期了，當(dāng)處理器發(fā)現(xiàn)自己緩存行對(duì)應(yīng)的內(nèi)存地址被修改，就會(huì)將當(dāng)前處理器的緩存行設(shè)置成無(wú)效狀態(tài)，當(dāng)處理器要對(duì)這個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改操作的時(shí)候，會(huì)強(qiáng)制重新從系統(tǒng)內(nèi)存里把數(shù)據(jù)讀到處理器緩存里。

Lock前綴指令會(huì)引起處理器緩存回寫(xiě)到內(nèi)存。Lock前綴指令導(dǎo)致在執(zhí)行指令期間，聲言處理器的 LOCK# 信號(hào)。在多處理器環(huán)境中，LOCK# 信號(hào)確保在聲言該信號(hào)期間，處理器可以獨(dú)占使用任何共享內(nèi)存。（因?yàn)樗鼤?huì)鎖住總線，導(dǎo)致其他CPU不能訪問(wèn)總線，不能訪問(wèn)總線就意味著不能訪問(wèn)系統(tǒng)內(nèi)存），但是在最近的處理器里，LOCK＃信號(hào)一般不鎖總線，而是鎖緩存，畢竟鎖總線開(kāi)銷比較大。在8.1.4章節(jié)有詳細(xì)說(shuō)明鎖定操作對(duì)處理器緩存的影響，對(duì)于Intel486和Pentium處理器，在鎖操作時(shí)，總是在總線上聲言LOCK#信號(hào)。但在P6和最近的處理器中，如果訪問(wèn)的內(nèi)存區(qū)域已經(jīng)緩存在處理器內(nèi)部，則不會(huì)聲言LOCK#信號(hào)。相反地，它會(huì)鎖定這塊內(nèi)存區(qū)域的緩存并回寫(xiě)到內(nèi)存，并使用緩存一致性機(jī)制來(lái)確保修改的原子性，此操作被稱為“緩存鎖定”，緩存一致性機(jī)制會(huì)阻止同時(shí)修改被兩個(gè)以上處理器緩存的內(nèi)存區(qū)域數(shù)據(jù)。

一個(gè)處理器的緩存回寫(xiě)到內(nèi)存會(huì)導(dǎo)致其他處理器的緩存無(wú)效。IA-32處理器和Intel 64處理器使用MESI（修改，獨(dú)占，共享，無(wú)效）控制協(xié)議去維護(hù)內(nèi)部緩存和其他處理器緩存的一致性。在多核處理器系統(tǒng)中進(jìn)行操作的時(shí)候，IA-32 和Intel 64處理器能嗅探其他處理器訪問(wèn)系統(tǒng)內(nèi)存和它們的內(nèi)部緩存。它們使用嗅探技術(shù)保證它的內(nèi)部緩存，系統(tǒng)內(nèi)存和其他處理器的緩存的數(shù)據(jù)在總線上保持一致。例如在Pentium和P6 family處理器中，如果通過(guò)嗅探一個(gè)處理器來(lái)檢測(cè)其他處理器打算寫(xiě)內(nèi)存地址，而這個(gè)地址當(dāng)前處理共享狀態(tài)，那么正在嗅探的處理器將無(wú)效它的緩存行，在下次訪問(wèn)相同內(nèi)存地址時(shí)，強(qiáng)制執(zhí)行緩存行填充

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