线程中的关键字volatile的介绍

叁歲伎倆 2022-05-28 07:43 228阅读 0赞

1.首先为什么会有缓存一致性问题，为什么会需要colatile关键字呢？

*  首先要先了解cpu，在计算机中，cpu和内存的交互最为频繁，相比内存，磁盘读写太慢，但是随着cpu的发展，内存的读写速度也远远赶不上cpu。因此cpu厂商在每颗cpu上加上高速缓存，用于缓解这种情况。
 *  cpu上加入了高速缓存这样做解决了处理器和内存的矛盾(一快一慢)，但是引来的新的问题 - **缓存一致性**
 *  在单核cpu中并在cpu和主内存之间加上高速缓冲内存并没有什么问题，但是在多核cpu中，每个处理器都有各自的高速缓存(L1,L2,L3)，而主内存确只有一个 ，而主内存就只有一个，所以问题就产生了
    
     *  解释：CPU要读取一个数据时，首先从一级缓存中查找，如果没有找到再从二级缓存中查找，如果还是没有就从三级缓存或内存中查找，每个cpu有且只有一套自己的缓存。
     *  为了提高处理速度，处理器不直接和内存进行通信，而是先将系统主内存的数据读到内部缓存（L1，L2或其他）后再进行操作，但操作完不知道何时会写到主内存。
 *  现在的cpu与内存的交互大致如下
 *  ![format_png][]
 *  正是因为上诉问题，每个线程被不同的cpu执行，然后把改变的值会先写到各自的高速缓存中，然后再由高速缓存把改变后的值刷新到主存中，就是在这期间另一个线程可能读取主存的值并不是最新的

2.下面就介绍一下volatile关键字

*  我们知道在java中有一大神器就是关键volatile，可以说是和synchronized各领风骚
 *  synchronized是阻塞式同步，在线程竞争激烈的情况下会升级为重量级锁
 *  而volatile就可以说是java虚拟机提供的最轻量级的同步机制
 *  各个线程会将共享变量从主内存中拷贝到工作内存（相当于自己的高速缓存区），然后执行引擎会基于工作内存中的数据进行操作处理
 *  Java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存中。每条线程中还有自己的工作内存，线程的工作内存中保存了被该线程所使用到的变量（这些变量是从主内存中拷贝而来）。线程对变量的所有操作（读取，赋值）都必须在工作内存中进行。不同线程之间也无法直接访问对方工作内存中的变量，线程间变量值的传递均需要通过主内存来完成。
 *  ![format_png 1][]

3.volatile到底做了什么？

*  使用volatile关键字会强制将修改的值立即写入主存；
 *  这个写回内存的操作会使得其他CPU里缓存了该内存地址的数据无效，再其他线程在去自己的缓存中读取数据的时候发现失效了，这时候就会再去主存中读取并且保存在自己的工作去缓存中
 *  正是因为上述两部操作才保证了volatile修饰的变量会立马同步到主存中并且对其他线程可见

4.volatile底层实现原理

*  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，将这个变量所在缓存行的数据写回到系统内存
 *  但是，就算写回到内存，如果其他处理器缓存的值还是旧的，再执行计算操作还是会有问题
 *  所以我们得出结论：
    
     *  lock前缀的指令会引起处理器缓存写回内存；
     *  一个处理器的缓存回写到内存会导致其他处理器的缓存失效；
     *  当处理器发现本地缓存失效后，就会从内存中重读该变量数据，即可以获取当前最新值
 *  这样针对volatile变量通过这样的机制就使得每个线程都能获得该变量的最新值。

5.下面来讨论一下volatile与Synchronized

*  Synchronized主要针对的是对线程的顺序**执行控制**
 *  volatile主要针对的是对线程的**内存可见**
 *  Synchronized它会阻止其它线程获取当前对象的监控锁，这样就使得当前对象中被`synchronized`关键字保护的代码块无法被其它线程访问，也就无法并发执行，而且`synchronized`还会创建一个**内存屏障，**当一个线程执行完释放锁之后会立即把改变的值刷新到主存中，并把其他线程中的缓存失效掉，这样就可以保证其他先线程会去主存中读取最新的值了。
 *  两者的区别
    
     *  volatile本质是在告诉jvm当前变量在寄存器（工作内存）中的值是不确定的，需要从主存中读取； synchronized则是锁定当前变量，只有当前线程可以访问该变量，其他线程被阻塞住。
     *  volatile仅能使用在变量级别；synchronized则可以使用在变量、方法、和类级别的
     *  volatile仅能实现变量的修改可见性，不能保证原子性；而synchronized则可以保证变量的修改可见性和原子性
     *  volatile不会造成线程的阻塞（因为是底层对处理器发送了一个lock指令）；synchronized可能会造成线程的阻塞。
     *  volatile标记的变量不会被编译器优化；synchronized标记的变量可以被编译器优化
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[参考][Link 1]

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[Link 1]: https://www.jianshu.com/p/157279e6efdb