文章目錄

• 概述
• volatile定義
• CPU緩存
• • 相關(guān)CPU術(shù)語
  • CPU緩存一致性協(xié)議MESI
  • 帶有高速緩存的CPU執(zhí)行計(jì)算的流程
  • CPU 多級(jí)的緩存結(jié)構(gòu)
• Java 內(nèi)存模型 （JMM）
• • 線程通信的兩種方式
  • 哪些變量可以共享
  • JMM概述
  • Java內(nèi)存模型的抽象結(jié)構(gòu)示意圖
• volatile 小demo
• 總結(jié)：volatile的兩條實(shí)現(xiàn)原則

概述

在多線程并發(fā)編程中synchronized和volatile都扮演著重要的角色。 volatile是輕量級(jí)的 synchronized，它在高并發(fā)中保證了共享變量的“可見性”。

那什么是可見性呢？

可見性 我們可以理解為：當(dāng)一個(gè)線修改一個(gè)共享變量時(shí)，另外一個(gè)線程能讀到這個(gè)修改的值。

如果volatile變量修飾符使用恰的話，它比synchronized的使用和執(zhí)行成本更低，因?yàn)?font color="red">volatile不會(huì)引起線程上下文的切換和調(diào)度

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volatile定義

Java規(guī)范第3版中對volatile的定義如下：Java允許線程訪問共享變量，為了確保共享變量能被準(zhǔn)確和一致地更新，線程應(yīng)該確保通過排他鎖單獨(dú)獲得這個(gè)變量。

Java提供了volatile關(guān)鍵字，在某些場景下volatile比鎖synchronized要更加方便。如果一個(gè)字段被聲明成volatile，Java線程內(nèi)存模型(JMM)確保所有線程看到這個(gè)變量的值是一致的 .

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CPU緩存

相關(guān)CPU術(shù)語

了解volatile實(shí)現(xiàn)原理之前，先了解下與其實(shí)現(xiàn)原理相關(guān)的CPU術(shù)語

術(shù)語英文說明

內(nèi)存屏障	memory barriers	一組處理器指令，用于實(shí)現(xiàn)對內(nèi)存操作的順序限制
緩沖行	cache line	緩存中可以分配的最小存儲(chǔ)單位。處理器填寫緩存線時(shí)會(huì)加載整個(gè)緩存線，需要使用多個(gè)主內(nèi)存讀周期；
原子操作	atomic operations	不可中斷的一個(gè)或一系列的操作
緩存行填充	cache line fill	當(dāng)處理器識(shí)別到從內(nèi)存中讀取操作數(shù)是可緩存的，處理器讀取整個(gè)緩存行到適當(dāng)?shù)木彺?#xff1b;
緩存命中	cache hit	如果進(jìn)行高速緩存行填充操作的內(nèi)存位置仍然是下次處理器訪問的地址時(shí)，處理器從緩存中讀取操作數(shù)，而不是從內(nèi)存中讀取；
寫命中	write hit	當(dāng)處理器操作數(shù)寫回到一個(gè)內(nèi)存緩存的區(qū)域時(shí)，它首先會(huì)檢查這個(gè)緩存的內(nèi)存地址是否在緩存行中，如果存在一個(gè)有效的緩存行，則處理器將這個(gè)操作數(shù)寫回到緩存，而不是寫回到內(nèi)存，這個(gè)操作被稱為寫命中；
寫缺失	write miss the cache	一個(gè)有效的緩存行被寫入到不存在的內(nèi)存區(qū)域。

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CPU緩存一致性協(xié)議MESI

CPU緩存一致性協(xié)議MESI 請參考： CPU緩存一致性協(xié)議MESI

【M 修改 (Modified) E 獨(dú)享、互斥 (Exclusive) S 共享 (Shared) I 無效 (Invalid) 】

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CPU的發(fā)展速度非常快，而內(nèi)存和硬盤的發(fā)展速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及CPU。這就造成了高性能能的內(nèi)存和硬盤價(jià)格及其昂貴。然而CPU的高度運(yùn)算需要高速的數(shù)據(jù)。為了解決這個(gè)問題，CPU廠商在CPU中內(nèi)置了少量的高速緩存以解決I\O速度和CPU運(yùn)算速度之間的不匹配問題

為了提高效率，CPU不直接和內(nèi)存進(jìn)行通信，而是先將系統(tǒng)內(nèi)存的數(shù)據(jù)讀取到內(nèi)部緩存（L1、L2或其他）后再進(jìn)行操作。

但是有個(gè)問題： 當(dāng)操作完成后，被修改的數(shù)據(jù)何時(shí)回寫到主內(nèi)存呢？

假設(shè)某個(gè)共享變量聲明了volatile關(guān)鍵字進(jìn)行寫操作 ，JVM就會(huì)向處理器發(fā)送一條Lock前綴指令，將這個(gè)變量所在緩存行的數(shù)據(jù)寫回到系統(tǒng)內(nèi)存。

OK，就算寫回到內(nèi)存，如果其他處理器緩存的值還是舊的，再執(zhí)行計(jì)算操作就會(huì)有問題。

所以，在多處理器下，為了保證各個(gè)處理器的緩存是一致的，就要實(shí)現(xiàn)緩存一致性協(xié)議 ，每個(gè)處理器通過嗅探在總線（BUS）上傳播的數(shù)據(jù)來檢查自己緩存的值是不是過期了

• 當(dāng)處理器發(fā)現(xiàn)自己緩存行對應(yīng)的內(nèi)存地址被修改，就會(huì)將當(dāng)前處理器的緩存行設(shè)置成無效狀態(tài)，
• 當(dāng)處理器對這個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改操作的時(shí)候，會(huì)重新從系統(tǒng)內(nèi)存中把數(shù)據(jù)讀到處理器緩存

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帶有高速緩存的CPU執(zhí)行計(jì)算的流程

程序以及數(shù)據(jù)被加載到主內(nèi)存

指令和數(shù)據(jù)被加載到CPU的高速緩存

CPU執(zhí)行指令，把結(jié)果寫到高速緩存

高速緩存中的數(shù)據(jù)寫回主內(nèi)存

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CPU 多級(jí)的緩存結(jié)構(gòu)

由于CPU的運(yùn)算速度超越了1級(jí)緩存的數(shù)據(jù)I\O能力，CPU廠商又引入了多級(jí)的緩存結(jié)構(gòu)。

L1/L2/L3 Cache速度差別

L1 cache: 3 cycles

L2 cache: 11 cycles

L3 cache: 25 cycles

Main Memory: 100 cycles

通常L1 Cache離CPU核心需要數(shù)據(jù)的地方更近，而L2 Cache則處于邊緩位置，訪問數(shù)據(jù)時(shí)，L2 Cache需要通過更遠(yuǎn)的銅線，甚至更多的電路，從而增加了延時(shí)。

參見： 細(xì)說Cache-L1/L2/L3/TLB

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Java 內(nèi)存模型 （JMM）

線程通信的兩種方式

我們知道 線程間的通信，主要分為兩種方式

共享內(nèi)存 (線程之間共享程序的公共狀態(tài)，通過寫-讀內(nèi)存中的公共狀態(tài)進(jìn)行隱式通信)

消息傳遞 (線程之間必須通過發(fā)送消息來顯式進(jìn)行通信)

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哪些變量可以共享

Java的并發(fā)采用的是共享內(nèi)存模型 ， 在Java中，所有實(shí)例域、靜態(tài)域和數(shù)組元素都存儲(chǔ)在堆內(nèi)存中，堆內(nèi)存在線程之間共享 ，我們使用”共享變量”這個(gè)術(shù)語代指實(shí)例域，靜態(tài)域和數(shù)組元素

局部變量，方法定義參數(shù)和異常處理器參數(shù)不會(huì)在線程之間共享，它們不會(huì)有內(nèi)存可見性問題，也不受內(nèi)存模型的影響。

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JMM概述

Java線程之間的通信由Java內(nèi)存模型JMM）控制，JMM決定一個(gè)線程對共享變量的寫入何時(shí)對另一個(gè)線程可見 .

JMM定義了線程和主內(nèi)存之間抽象關(guān)系：線程之間的共享變量存儲(chǔ)在主內(nèi)存（Main Memory）中，每個(gè)線程都有一個(gè)私有的本地內(nèi)存（Local Memory），本地內(nèi)存中存儲(chǔ)了該線程以讀/寫共享變量的副本。

注： 本地內(nèi)存是JMM的一個(gè)抽象概念，并不真實(shí)存在。它涵蓋了緩存、寫緩沖區(qū)、寄存器以及其他的硬件和編譯器化

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Java內(nèi)存模型的抽象結(jié)構(gòu)示意圖

如下：

根據(jù)上述的描述，如果線程A和線程B要通信的話，步驟如下

線程A把本地內(nèi)存A中更新過的共享變量刷新到主內(nèi)存中去

線程B到主內(nèi)存中去讀取線程A之前已更新過的共享變

線程A和線程B通信示意圖如下所示

本地內(nèi)存A和本地內(nèi)存B由主內(nèi)存中共享變量x的副本。

假設(shè)初始時(shí)，這3個(gè)內(nèi)存（本地內(nèi)存A、本地內(nèi)存B、主內(nèi)存）中的x值都為0。

線程A在執(zhí)行時(shí)，把更新后的x值（假設(shè)值為1）臨時(shí)存放在自己的本地內(nèi)A中。

當(dāng)線程A和線程B需要通信時(shí)，線程A首先會(huì)把自己本地內(nèi)存中修改后的x值刷新到主內(nèi)存中，此時(shí)主內(nèi)存中的x值變?yōu)榱?。

隨后，線程B到主內(nèi)存中去讀取線程A更新后的x值，此時(shí)線程B的本地內(nèi)存的x值也變?yōu)榱?。

從整體來看，這兩個(gè)步驟實(shí)質(zhì)上是線程A在向線程B發(fā)送消息，而且這個(gè)通信過程必須要經(jīng)過主內(nèi)存。JMM通過控制主內(nèi)存與每個(gè)線程的本地內(nèi)存之間的交互，來保證內(nèi)存可見性保證。

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volatile 小demo

先來個(gè)例子 感受下volatile的作用

倆線程 1個(gè)讀取共享變量 另外1個(gè)更新共享變量.

package com.artisan.test;/*** 倆線程* <p>* 1個(gè)讀取共享變量* 1個(gè)更新共享變量*/ public class VolatileDemo {// 共享變量private volatile static int SHARED_VALUE = 0;private final static int MAX_VALUE = 10;public static void main(String[] args) {// 定義 讀取線程new Thread(() -> {int localValue = SHARED_VALUE;// 循環(huán)， 如果localValue ！= SHARED_VALUE 輸出信息while (SHARED_VALUE < MAX_VALUE){if (localValue != SHARED_VALUE){System.out.printf(Thread.currentThread().getName() + ": the SHARED_VALUE value has been updated to [%d] \n" , SHARED_VALUE);localValue = SHARED_VALUE;}}}, "Reader Thread").start();// 定義 更新線程new Thread(() -> {int localValue = SHARED_VALUE;// 循環(huán) 如果小于最大值，則更新localValuewhile (SHARED_VALUE < MAX_VALUE){System.out.printf(Thread.currentThread().getName() + ": update SHARED_VALUE to [%d] \n" , ++localValue);SHARED_VALUE = localValue;try {// 為了演示效果，休眠一下Thread.sleep(500);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}, "Update Thread").start();} }

輸出：

Update Thread: update SHARED_VALUE to [1] Reader Thread: the SHARED_VALUE value has been updated to [1] Update Thread: update SHARED_VALUE to [2] Reader Thread: the SHARED_VALUE value has been updated to [2] Update Thread: update SHARED_VALUE to [3] Reader Thread: the SHARED_VALUE value has been updated to [3] Update Thread: update SHARED_VALUE to [4] Reader Thread: the SHARED_VALUE value has been updated to [4] Update Thread: update SHARED_VALUE to [5] Reader Thread: the SHARED_VALUE value has been updated to [5] Update Thread: update SHARED_VALUE to [6] Reader Thread: the SHARED_VALUE value has been updated to [6] Update Thread: update SHARED_VALUE to [7] Reader Thread: the SHARED_VALUE value has been updated to [7] Update Thread: update SHARED_VALUE to [8] Reader Thread: the SHARED_VALUE value has been updated to [8] Update Thread: update SHARED_VALUE to [9] Reader Thread: the SHARED_VALUE value has been updated to [9] Update Thread: update SHARED_VALUE to [10] Process finished with exit code 0

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如果 去掉volatile關(guān)鍵字呢 ？ 測試如下

由此可見 volatile關(guān)鍵字在高并發(fā)中保證了共享變量的“可見性”。

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總結(jié)：volatile的兩條實(shí)現(xiàn)原則

總結(jié)一下

• Lock前綴指令會(huì)引起處理器緩存回寫到內(nèi)存
• 一個(gè)處理器的緩存回寫到內(nèi)存會(huì)導(dǎo)致其他處理器的緩存無效

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的高并发编程-通过volatile重新认识CPU缓存 和 Java内存模型（JMM）的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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