Java并发机制的底层实现原理之volatile

小咪咪 2022-04-22 10:24 255阅读 0赞

Java代码在编译之后会变成Java字节码，字节码被类加载器加载到JVM里，JVM执行字节码，最终需要转换为汇编指令在CPU上执行，Java中所使用的并发机制依赖于JVM的实现和CPU的指令。

### 首先看一下volatile的定义： ###

在多线程并发编程中synchronized和volatile都扮演着重要的角色，volatile是轻量级的synchronized，它在处理器开发中保证了共享边浪的“可见性”。可见性的意思就是当一个线程修改一个共享变量时，另外一个线程能够督导这个修改的值。如果volatile变量修饰使用的恰当的话，它比synchronized的使用和执行成本更低，因为它不会引起线程的上下文切换和调度。

在Java语言规范中对volatile的定义如下：Java编程语言允许线程访问共享变量，为了确保共享变量能被准确和一致的更新，线程应该确保通过排它锁单独获得这个变量。Java提供了volatile，在某些情况下比锁要更加方便，如果一个字段被声明为volatile，Java线程内存模型规范确保所有的线程看到这个变量的值是一致的。

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### 在看volatile实现原理之前，我们先看一下相关的CPU术语： ###

内存屏障：是一组处理器指令，用于实现对内存操作顺序的限制

缓冲行：CPU高速缓存中可以分配的最小存储单位。处理器填写缓冲行时，会加载整个缓冲行，现在CPU需要执行几百次CPU指令。

原子操作：不可中断的一个或一系列的操作

缓冲行填充：当处理器识别到内存中读取操作数是可缓存的，处理器读取整个高速缓存行到适当的缓存（L1,L2,L3的或所有）

缓存命中：如果进行高速缓存行填充操作的内存位置仍然是下次处理器访问的地址时，处理器从缓存中读取操作数，而不是从内存读取。

写命中：当处理器将操作数写回一个内存缓存的区域时，它首先会检查这个缓存的内存地址是否在缓存行中，如果存在一个有效的缓存行，则处理器将这个操作数写回缓存，而不是写回到内存，这个操作称为写命中。

写缺失：一个有效的缓存行被写入到不存在的内存区域。

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volatile是如何来保证可见性的呢？我们在X86处理器下通过工具获取JIT编译器生成的汇编指令来查看volatile进行写操作，看看CPU会做什么事：

Java代码： instance = new Singleton();

获取的汇编代码为：

0x01a3de1d: movb $0*0，0*1104800(%esi); 0x01a3de24: locl addl $0*0, (%esp)

有volatile变量修饰的共享变量进行写操作的时候回多出第二行汇编代码，Lock前缀的指令在多核处理器下回引发两件事情：

1、将当前处理器缓存行的数据写入到系统内存  
2、这个写回内存的操作会使在其他CPU里缓存了该内存地址的数据无效

为了提高速度，处理器比直接与内存进行通信，而是先将系统内存的数据读到内部缓存L1，L2或者其它后在进行操作，但操作完不知道何时写到内存。如果对声明了volatile的变量进行写操作，jvm就会向处理器发送一条Lock前缀的指令，将这个变量所在的缓存行的数据写回到系统内存。但是，就算写回内存，如果其它处理器缓存的值还是旧的，在执行计算操作就会有问题。所以，在多处理器下，为了保证各个处理器的缓存是一致的，就会实行缓存一致性协议，每个处理器通过嗅探在总线上传播的数据来检查自己缓存的值是不是过期了，当处理器发现自己缓存行对应的内存地址被修改，就会将当前处理器的缓存行设置为无效的状态，当处理器对这个数据进行修改操作的时候，会重新从系统内存中把数据读到处理器缓存里。

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### 下面来具体看一下volatile的两条实现原则： ###

1、Lock前缀指令会引起处理器缓存写回到内存。Lock前缀的指令会导致在执行指令期间，声言处理器的Lock\#信号。在多处理器环境中。lock\#信号确保在声言该信号期间，处理器可以独占任何共享内存。但是，在最近的处理器里。Lock\#信号一般不会锁总线，而是锁缓存，毕竟锁总线的开销比较大。

2、一个处理器的缓存回写到内存回导致其他处理器的缓存无效。Inter-64处理器使用MESI(修改 独占 共享 无效)控制协议去维护内部缓存和其他处理器缓存的一致性。在多个处理器系统中进行操作的时候，处理器会嗅探其他处理器访问系统内存和他们的内部缓存，处理器通过嗅探技术，保证他的内部缓存，系统内存和其它处理器的缓存的数据在总线上保持一致。例如我们上面所说的，如果通过嗅探一个处理器来检测其它处理器打算写内存地址，而这个地址当前处于共享状态，那么正在嗅探的处理器会使它的缓存行无效，在下次访问相同内存地址时，强制执行缓存行填充。