volatile的应用以及底层实现原理

ゝ一纸荒年。 2023-03-06 03:41 26阅读 0赞

## volatile的定义 ##

*  Java语言规范第3版中对**volatile的定义**如下：Java编程语言允许线程访问共享变量，为了  
    确保共享变量能被准确和一致地更新，**线程应该确保通过排他锁单独获得这个变量**。Java语言  
    提供了volatile，在某些情况下比锁要更加方便。如果一个字段被声明成volatile，Java线程内存  
    模型确保所有线程看到这个变量的值是一致的。
 *  排他锁又称写锁，当某个资源被上排他锁时，只能有一个线程占用，其他线程如果想要访问该资源只能等待。
 *  在了解volatile实现原理之前，我们先来看下与其实现原理相关的CPU术语与说明。表是CPU术语的定义

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2ZyaXN0amNqZG5jZw_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
volatile是如何来保证可见性的呢？ 让我们在X86处理器下通过工具获取JIT编译器生成的  
汇编指令来查看对volatile进行写操作时，CPU会做什么事情  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2ZyaXN0amNqZG5jZw_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

*  有volatile变量修饰的共享变量进行写操作的时候会多出第二行汇编代码，通过查IA-32架  
    构软件开发者手册可知，**Lock前缀**的指令在多核处理器下会引发了两件事情：
    
     *  1）将当前处理器缓存行的数据**写回到系统内存**。
     *  2）这个写回内存的操作会**使在其他CPU里缓存了该内存地址的数据无效**。
 *  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内存。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，再执行计算操作就会有问题。
 *  所以，在多处理器下，为了保证各个处理器的缓存是一致的，就会实现**缓存一致性协议**，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，当处理器发现自己缓存行对应的**内存地址被修改**，就会**将当前处理器的缓存行设置成无效状态**，当处理器对这个数据进行修改操作的时候，会**重新从系统内存中把数据读到处理器缓存里**。

## volatile的两条实现原则。 ##

*  Lock前缀指令会引起处理器缓存回写到内存
 *  一个处理器的缓存回写到内存会导致其他处理器的缓存无效

## volatile的使用优化 ##

*  在JDK 7的并发包里新增一个队列集合类LinkedTransferQueue，它在使用volatile变量时，**用一种追加字节的方式来优化队列出队和入队的性能** 。LinkedTransferQueue的代码如下。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2ZyaXN0amNqZG5jZw_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

*  **追加字节能优化性能？**
    
     *  LinkedTransferQueue这个类，它使用一个内部类类型来定义队列的头节点（head）和尾节点（tail），而这个内部类PaddedAtomicReference相对于父类AtomicReference只做了一件事情，就是将共享变量加到64字节。我们可以来计算下，一个对象的引用占4个字节，它追加了15个变量（共占60个字节），再加上父类的value变量，一共64个字节。
 *  **为什么追加64字节能够提高并发编程的效率呢？**
    
     *  因为对于英特尔酷睿i7、酷睿、Atom和NetBurst，以及Core Solo和Pentium M处理器的L1、L2或L3缓存的高速缓存行是64个字节宽，不支持部分填充缓存行，这意味着，如果队列的头节点和尾节点都不足64字节的话，处理器会将它们都读到同一个高速缓存行中，在多处理器下每个处理器都会缓存同样的头、尾节点，当一个处理器试图修改头节点时，会将整个缓存行锁定，那么在缓存一致性机制的作用下，会导致其他处理器不能访问自己高速缓存中的尾节点，而队列的入队和出队操作则需要不停修改头节点和尾节点，所以在多处理器的情况下将会严重影响到队列的入队和出队效率。**使用追加到64字节的方式来填满高速缓冲区的缓存行，避免头节点和尾节点加载到同一个缓存行，使头、尾节点在修改时不会互相锁定。**
 *  **那么是不是在使用volatile变量时都应该追加到64字节呢？**
    
     *  **不是的。** **在两种场景下不应该使用这种方式**。
        
         *  缓存行非64字节宽的处理器。**如P6系列和奔腾处理器**，它们的L1和L2高速缓存行是32个  
            字节宽。
         *  共享变量不会被频繁地写。**因为使用追加字节的方式需要处理器读取更多的字节到高速缓冲区，这本身就会带来一定的性能消耗**，如果共享变量不被频繁写的话，锁的几率也非常小，就没必要通过追加字节的方式来避免相互锁定。

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