高并发编程学习笔记(3)----volatile

布满荆棘的人生 2022-04-12 04:19 287阅读 0赞

## 深入理解volatile关键字 ##

# CPU缓存模型 #

因为CPU与内存速度的严重不对等，出现了在CPU与主存之间增加缓存的设计，现在缓存的数量可以增加到三级。最靠近CPU的缓存称为L1,然后依次是L2,L3和主内存。由于程序指令和程序数据的行为和热点分布差异很大，因此L1Cache又被划分成了L1i(instruction)和L2d(data)。Cache Line可以认为是CPU Cache中最小缓存单位，目前主流CPU Cache的Cache Line大小都是64字节。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM5NTM2Mzk0_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
主内存的速度远远落后于CPU Cache 的速度，更别说CPU本身的计算速度。

## CPU缓存一致性的问题 ##

由于缓存的出现，极大提高了CPU的吞吐能力，但是同时也引入了缓存不一致的问题。  
程序运行过程中首先将主存中的数据复制一份到缓存中，对缓存操作完成后再放回到内存中。但是如果多个线程对同一个数据进行操作。每一个线程都有自己的工作内存。每个线程都在自己的缓存中进行操作，而操作的结果不确定什么时候刷新到主存中，就会造成缓存不一致的问题。  
通常主流的解决问题方法有两种：  
1.通过总线加锁的方式。  
2.通过缓存一致性协议。  
第一种方式是一种悲观锁的实现方法效率低下。第二种方式最为出名的是Inter的MESI协议。大致思想是：当CPU在操作缓存中数据时，如果发现该变量是一个共享变量(在其他CPU缓存中也存在副本），那么进行如下操作：  
1.读操作不做任何处理，只是将缓存中的数据读到寄存器。  
2.写操作，发出信号通知其他CPU将该变量的Cache Line置为无效状态，其他CPU在进行该变量读取的时候不得不到主存中再次获取。

# JAVA内存模型 #

Java内存模型决定了一个线程对共享变量的写入何时对其他线程可见，Java内存模型定义了线程和主内存之间的抽象关系，具体如下：  
1.共享变量存储于主内存之中，每个线程都可以访问。  
2.每个线程都有私有的工作内存或称本地内存。  
3.工作内存只存储该线程对共享变量的副本。  
4.线程不能直接操作主内存，只能先操作工作内存后再写入主内存。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM5NTM2Mzk0_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
Java内存模型是一个抽象的概念，与计算机硬件的结构并不完全一样，比如计算机物理内存不会存在栈内存和堆内存的划分，无论是堆内存还是虚拟机内存都会对应到物理的主内存，当然也有一部分堆栈内存的数据可能会存入CPU缓存寄存器中。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM5NTM2Mzk0_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

# 并发编程的三个重要特性 #

### 1.原子性 ###

原子性是指一次操作过程中要么所有操作全部都得到了执行并且不会受到任何因素的干扰而中断，要么所有操作都不执行。

### 2.可见性 ###

可见性是指当一个线程对于共享变量进行了修改，那么另外的线程可以立即看到修改后的最新值。

### 3.有序性 ###

有序性是指程序代码在执行过程中的先后顺序。  
一般来说为了提高程序的运行效率，可能会对输入的代码做一些优化，代码的执行顺序不一定严格按照编写顺序执行，但是他会保证最终运算结果是编码时所期望的那样。

# JVM如何保证三大特性 #

## 1.JMM与原子性 ##

在Java中对基本数据类型的变量取赋值都是原子性的，对引用类型变量读取和赋值的操作也是原子性的。  
**注意**  
y=x并不是原子操作，他包括了读取x值、附给y这两个原子操作。  
x++也不是原子操作，他包括取值，加1，赋值三个原子操作。  
若想某些代码片段具有原子性需要使用关键字**synchronized**或者**lock**锁。volatile不具备原子性语义。

## 2.JMM与可见性 ##

Java提供了三种方式来保证可见性  
1.volatile关键字。当一个变量被volatile修饰时，对于共享资源的读操作会直接在主存中进行，对于共享资源的写操作是先要修改工作内存，但是修改结束后会立刻将其刷新到主存中。  
2.synchronized关键字  
3.lock锁

## 3JMM与有序性 ##

在Java内存模型中，允许编译器对指令重写排序，在单线程情况下，重排序并不会引起什么问题，但是在多线程情况下，重排序会影响到程序的正确运行，Java提供了三种保证有序性的方式  
1.volatile  
2.synchronized  
3.lock  
后两者采取了同步的机制，同步代码在执行时与单线程情况下一样能够保证程序的有序性。

# volatile关键字深入解析 #

## volatile保证可见性 ##

正如前边讲的volatile修饰的变量一旦在某一线程的缓存改变了值，他会立即更新到主存中，并且提示其他共享该变量的线程重写从主存中读取该值。

## volatile保证顺序性 ##

volatile对顺序性的保证比较霸道一点，直接禁止JVM和处理器对volatile关键字修饰的指令重新排序。

## volatile不保证原子性 ##

由于CPU时间片的调度，会导致线程中的值可能失效，但还未刷新到主存。比如多个线程同时读取一个值i,并且都进行加1操作，当线程刚完成加1操作，因为时间片调度，必须放弃CPU。这时候还没有更新到主存，不能通知其他线程重写读取i的值。

# volatile与synchronized #

**区别**  
volatile只能修饰实例变量或者类变量，不能修饰方法以及方法参数和局部变量、常量等。  
synchronized关键字不能修饰变量，只能用于修饰方法或者语句块  
volatile修饰的变量可以为null，synchronized关键字同步语句块的monitor锁对象不能为null。  
volatile不能保证原子性。  
synchronized关键字修饰同步代码块无法被中途打断。因此能保证原子性。  
volatile与synchronized保证有序性与可见性的原理不同。

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