高并发篇_10 JMM和volatile基本原理

￡神魔★判官ぃ 2022-10-09 12:09 77阅读 0赞

**田超凡**

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### 1 Java内存模型(JMM)基本概念 ###

Java内存模型(Java Memory Model,JMM)定义的是一种抽象的概念，用来屏蔽java程序对不同操作系统的内存访问差异。

Java内存模型主要由三大部分组成：主内存、CPU高速缓存(工作内存)、总线

主内存：存放所有线程的共享变量数据

工作内存：存放每个CPU线程对共享变量（主内存）的副本。

总线：用来实现CPU和内存之间的交互

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### 2 CPU多核结构和摩尔定律 ###

CPU每次从主内存读取数据比较慢，而现代的CPU通常涉及多级缓存，CPU读主内存

按照**空间局部性**原则加载。

CPU摩尔定律是指**正常情况下，每隔18个月，CPU的性能会提升一倍**

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![20210624142854285.png][]

### 3 JMM八大同步规范 ###

1.  **read(****读取)**：作用于主内存的变量，把一个变量值从主内存传输到线程的工作内存中，以便随后的load动作使用；**从主内存读取数据**

1.  **load(****载入)**：作用于工作内存的变量，它把read操作从主内存中得到的变量值放入工作内存的变量副本中; **将主内存读取到的数据写入工作内存中**

1.  **use(****使用)**：作用于工作内存的变量，把工作内存中的一个变量值传递给执行引擎;**从工作内存读取数据来计算**

1.  **assign(****赋值)**：作用于工作内存的变量，它把一个从执行引擎接收到的值赋给工作内存的变量；**将计算好的值重新赋值到工作内存中**

1.  **store(****存储)**：作用于工作内存的变量，把工作内存中的一个变量的值传送到 主内存中，以便随后的write的操作; **将工作内存数据写入主内存**

1.  **write(****写入)**：作用于工作内存的变量，它把store操作从工作内存中的一个变量的值传送到 主内存的变量中; **将store过去的变量值赋值给主内存中的变量**

1.  **lock(****锁定)**：作用于主内存的变量，把一个变量标记为一条线程独占状态; **将主内存变量加锁，标识为线程独占状态。**

**8.   ** **unlock(****解锁)**：作用于主内存的变量，把一个处于锁定状态的变量释放出来，释放后的变量才可以被其他线程锁定；**将主内存变量解锁，解锁后其他线程可以锁定该变量**

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### 4 volatile基本概念 ###

volatile是Java提供的轻量级的同步机制，可以保证可见性，禁止重排序，不保证原子性。Volatile保证可见性的实现原理**基于JMM八大同步规范和汇编lock前缀指令来触发底层锁的机制实现，包括总线锁和MESI缓存一致性协议。**

**volatile****的特性：**

**可见性：一个线程对共享变量的修改对其他线程是可见的**

**顺序性：线程执行代码的顺序从上到下依次执行**

**不保证原子性：原子是不可分割的最小单元，volatile不保证操作的原子性**

### 5 volatile和synchronized的区别 ###

Java 语言包含两种内在的同步机制：synchronized锁和 volatile 变量，相比于synchronized（synchronized通常称为重量级锁），**volatile更轻量级，因为它运行在用户态，不会引起线程上下文切换和调度，但是volatile不保证原子性，并且volatile同步性较差**（有时它更简单并且开销更低），而且其使用也更容易出错。

**synchronized****可以保证线程的可见性和原子性，可以最大限度保证线程安全，但是需要在用户态和内核态之间进行频繁切换来获取和释放锁，所以性能较差。**

### 6 volatile保证线程可见性实现原理 ###

volatile可以保证线程的可见性(一个线程对共享变量的修改对其他线程是立刻可见的)，volatile保证线程可见性的实现原理是：**通过汇编lock前缀指令触发底层锁的机制，当主内存中的数据发生变更时，会基于总线嗅探机制将其他CPU中的本地内存中的值设置为无效，迫使它们重新从主内存中获取最新的值并保存到相应的本地内存中，从而达到不同CPU工作内存中数据一致性的目标，锁的机制有两种：总线锁和MESI缓存一致性协议**

**总线嗅探机制**：用来监听主内存中数据的变化情况，当主内存中数据被修改时，会立即通知其他CPU中的本地内存，将其他CPU本地内存中的值设置为无效I状态(MESI缓存一致性协议)，迫使其他CPU重新读取主内存中的最新值并同步到各自的本地内存中。

**总线锁**：

最初实现就是通过总线加锁的方式也就是上面的lock与unlock操作，但是这种方式存在很大的弊端。会将我们的并行转换为串行，从而失去了多线程的意义。

当一个cpu（线程）访问到我们主内存中的数据时候，往总线总发出一个Lock锁的信号，其他的线程不能够对该主内存做任何操作，变为阻塞状态。该模式，存在非常大的缺陷，就是将并行的程序，变为串行，没有真正发挥出cpu多核的好处。

**MESI****缓存一致性协议**：M-修改态、E-独享态、S-共享态、I-失效态

### 7 查看Java汇编指令 ###

首先需要将该工具  hsdis-amd64.dll 放入

E:\\java8\\jdk\\jre\\bin\\server\\hsdis-amd64.dll

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td style="border-color:#000000;vertical-align:top;width:426.1pt;"> <p style="margin-left:0;text-align:justify;">-server -Xcomp -XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX:+PrintAssembly -XX:CompileCommand=compileonly,*SuperTian.*</p> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

注意：SuperTian 修改为实际类的名称

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[20210624142854285.png]: /images/20221005/2673dbaf744a459db3641409a50ed2b0.png
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