基礎知識回顧

還是那句話，無論語言再怎么牛，其都是對底層計算機指令的封裝。

計算機CPU執行指令的時候是非常快的，如果每執行一個指令都從內存中取數據的話，那會非常慢，嚴重影響CPU的執行速度，所以每個CPU都有自身對應的高速緩沖區(多級寄存器)，每個線程被執行的時候，會先把運行時需要的數據復制到告訴緩沖區一份，此高速緩存區只與在該CPU運行的線程有關，然后在當前線程需要CPU執行N多指令的時候，就不用再去內存中拿數據，直接從本地的緩沖區，進而提高CPU的執行任務速度，等待執行完畢后再把結果寫入到主內存中，但是什么時候執行結果會被刷新至主內存中是不太確定的(但是肯定在執行下一指令之前，哈哈)；在遇到線程放棄執行權限或者sleep一段時間后等再次被處理器運行的時候，會重新把需要的數據載入高速緩沖區中。

上面這個結構，對于單CPU來說沒有任何問題，但是近代計算機一般都是多個CPU，這樣一來，每個CPU的高速緩沖區如果同時緩存了共享變量的話，那么就有可能出現數據狀態不一致的情況，那么這個情況怎么解決呢？兩個解決方案：

總線鎖：采用一種類似于獨占內存的方式，同一時間只能有一個CPU運行，其余的則被阻塞。

緩存一致性協議：當CPU更改數據的時候，如果發現是共享變量就會通知其他CPU此變量的緩存行是無效的，這樣其他CPU在使用該變量的時候，就會從內存重新讀取數據。

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緩存一致性協議也稱MESI協議

• 獨占(exclusive)：僅當前處理器擁有該緩存行，并且沒有修改過；
• 共享(share)：有多個處理器擁有該緩存行，每個處理器都沒有修改過緩存；
• 修改(modified)：僅當前處理器擁有該緩存行，并且緩存行被修改過了；
• 失效(invalid)：緩存行被其他處理器修改過；

它們之間的關系如下：

• 一個處于M狀態的緩存行，必須時刻監聽所有試圖讀取該緩存行對應的主存地址的操作，如果監聽到，則必須在此操作執行前把其緩存行中的數據寫回CPU；
• 一個處于S狀態的緩存行，必須時刻監聽使該緩存行無效或者獨享該緩存行的請求，如果監聽到，則必須把其緩存行狀態設置為I；
• 一個處于E狀態的緩存行，必須時刻監聽其他試圖讀取該緩存行對應的主存地址的操作，如果監聽到，則必須把其緩存行狀態設置為S
• 當CPU需要讀取數據時，如果其緩存行的狀態是I的，則需要從內存中讀取，并把自己狀態變成S，如果不是I，則可以直接讀取緩存中的值，但在此之前，必須要等待其他CPU的監聽結果，如其他CPU也有該數據的緩存且狀態是M，則需要等待其把緩存更新到內存之后，再讀取；
• 當CPU需要寫數據時，只有在其緩存行是M或者E的時候才能執行，否則需要發出特殊的RFO指令(Read Or Ownership，這是一種總線事務)，通知其他CPU置緩存無效(I)，這種情況下會性能開銷是相對較大的。在寫入完成后，修改其緩存狀態為M。

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Volatile的指令重排

處理器的內存屏障分為兩種：Load Barrier 和 Store Barrier即讀屏障和寫屏障。

• 阻止屏障兩側的指令重排序；
• 強制把寫緩沖區/高速緩存中的臟數據等寫回主內存，讓緩存中相應的數據失效。

JVM的內存屏障其實也是對計算機內存屏障的封裝，其兼容了不容平臺的差異，通過調用硬件的內存屏障指令來實現禁止指令重排。

在每個volatile寫操作的前面插入一個StoreStore屏障。

在每個volatile寫操作的后面插入一個StoreLoad屏障。

在每個volatile讀操作的后面插入一個LoadLoad屏障。

在每個volatile讀操作的后面插入一個LoadStore屏障。

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Volatile的內存可見性

JMM內存模型與上面說的類似，對于共享變量每個線程都會對其生成變量副本，在后續的讀寫操作中都是操作其副本，等待對變量操作完畢后，再把變量副本寫入到主內存中(不是實時寫入主內存)，如果遇到多個線程同時讀寫共享變量的時候，由于他們都是操作的副本，所以各個線程之間是互不知曉的，那么怎么讓其中一個線程修改變量的時候，另外一個線程立馬就知道呢？通過對volatile修飾的共享變量相關代碼進行編譯生成的匯編指令發現，volatile寫操作對應的指令是一個lock前綴指令，而lock前綴指令會在多核CPU同時運行的情況下引發兩件事：

• CPU高速緩沖區中對應該變量的緩存行數據立馬回寫到主內存。在老版本的多核處理器中，lock前綴指令會在執行lock指令的時候聲言LOCK#信號，該信號確保在執行此指令期間，此處理器可以獨享任何內存，因為它會鎖住總線，導致其他CPU不能訪問總線進而不能訪問系統內存；由于鎖總線實在是性能消耗太大，所以在近代處理器中會鎖定此共享變量的內存緩沖區(由緩存行組成)，而其他CPU則無法訪問對應緩沖區中鎖定的那部分數據，進而實現鎖定的那部分數據同一時間只有一個CPU可以操作；使用緩存一致性協議(MESI)來保證原子性，緩存一致性機制不允許同時修改被多個CPU緩存了的內存區域。
• 觸發其他CPU緩沖區中對應的緩沖行失效。使用嗅探技術，探測其他CPU的緩存以及主內存，如果探測到共享變量有改變或者預計有寫入操作，處理器將會把對應的緩存行置為無效。
• 據查資料，任何的lock前綴指令都有內存屏障的作用。

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JMM內存模型驗證

private static boolean exit = false;

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

new Thread(()->{

while(!exit) {

//try {

//System.out.println("continue...");

//Thread.currentThread().sleep(1000);

//} catch (InterruptedException e) {}

}

System.out.println("over...");

}).start();

Thread.currentThread().sleep(2000);

exit = true;

}

執行上面這段程序，你會發現程序會一直運行，但是將exit變量聲明為volatile的時候，2s就停止了。

但是你把try代碼塊注釋打開的話，那么你會發現雖然exit變量不是volatile的，但是程序也會在2停止，為什么呢？猜測原因有二：

線程sleep后，重新獲得CPU執行權限，待執行時會重新加載線程所需變量從主內存到高速緩存區，進而獲取到變量最新的值。

System.out.println是sync操作導致的，因為sync需要獲取鎖，獲取鎖以后才具備CPU處理資格，待執行時高速緩沖區重新加載線程運行所需變量，從而獲取到變量最新的值。

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的cpu缓冲区大小怎么设置_JAVA高薪面试必备知识点Volatile底层原理探究CPU在作怪的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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