并发编程中volatile的探究

在多线程并发编程中&＃xff0c;synchronized 和 volatile 都扮演着重要的角色&＃xff0c;这边文章主要探究 volatile 的相关应用。

        volatile 是 轻量级的 synchronized 它在处理器开发中保证了共享变量的 “可见性“-- 当一个线程修改一个共享变量时&＃xff0c;另外一个线程能读取到这个修改的值。如果 volatile 使用的恰当的话&＃xff0c;它比synchronized 的使用和执行成本更低。因为它不会引起上下文的切换和调度。

       Java 语言第三版对 volatile 的定义如下&＃xff1a;java编程语言允许线程访问共享变量&＃xff0c;为了确保共享变量能被准确和一致的更新&＃xff0c;线程应该确保通过排他锁单独获得这个变量。

      为了提高处理速度&＃xff0c;处理器不直接和内存进行通信&＃xff0c;而是先将内存中的数据读取到内存缓存&＃xff08;L1&＃xff0c;L2或其他&＃xff09;后再进行操作&＃xff0c;但操作完不知道何时会写到内存。

      如果对声明了volatile的变量进行写操作&＃xff0c;JVM 就会向处理器发送一条Lock 前缀的指令&＃xff0c;将这个变量所在的缓存行写回到系统内存。查询IA-32架构软件开发者手册可知&＃xff0c;Lock 为前缀的指令在多核处理器下会引发两件事情&＃xff1a;

     1&＃xff09;将当前处理器缓存行的数据写回到系统内存。

     2&＃xff09;这个写回到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。

     就算将申明 volatile 的相关变量写回到内存中&＃xff0c;如果其他处理器缓存的值还是旧的&＃xff0c;就会实现缓存一致性协议&＃xff0c;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&＃xff0c;当处理器发现自己缓存行对应的内存地址被修改&＃xff0c;就会将当前处理器的缓存行设置为无效状态&＃xff0c;当处理器对这个数据进行修改操作的时候&＃xff0c;会重新从系统内存中把数据读到处理器缓存用。

    1、缓存行的数据写回到系统内存。

         Lock 信号在 声言该信号时&＃xff0c;处理器会锁住总线以便独占任何共享内存。但是&＃xff0c;在最近的处理器里&＃xff0c;一般不锁总线&＃xff0c;而是锁缓存&＃xff0c;毕竟总线开销比较大。在P6和目前的处理器中&＃xff0c;若是访问的内存区域已经缓存在处理器内部&＃xff0c;则不会声言LOCK 信号&＃xff0c;相反&＃xff0c;它会锁定这块内存区域的缓存并回写到内存&＃xff0c;并使用缓存一致性机制来确保修改的原子性&＃xff0c;此操作被称为 “缓存锁定”&＃xff0c;缓存一致性机制会阻止修改同时由两个以上处理器缓存的内存区域数据。

  2、一个处理器的缓存回写到内存会导致其他处理器的缓存无效。

        在Intel-64处理器使用 MESI&＃xff08;修改、独占、共享、无效&＃xff09;控制协议去维护内部缓存和其他处理器缓存的一致性。再多核处理器中进行操作时&＃xff0c;处理器能使用嗅探技术保证它的内部缓存、系统内存和其他处理器的缓存在总线上保持一致。如果处理器嗅探到其他处理器写共享内存地址时&＃xff0c;嗅探的处理器将使它的缓存行无效&＃xff0c;在下次访问相同的内存地址时&＃xff0c;强制执行缓存行填充。

　　一旦一个共享变量&＃xff08;类的成员变量、类的静态成员变量&＃xff09;被volatile修饰之后&＃xff0c;那么就具备了两层语义&＃xff1a;

　　1&＃xff09;保证了不同线程对这个变量进行操作时的可见性&＃xff0c;即一个线程修改了某个变量的值&＃xff0c;这新值对其他线程来说是立即可见的。

　　2&＃xff09;禁止进行指令重排序。