volatile 保证内存变量可见性的实现原理解析

太过爱你忘了你带给我的痛 2024-03-23 16:09 117阅读 0赞

**目录**

volatile 的定义

可见性问题

JMM（JavaMemoryModel）

保证可见性

现代计算机的内存模型

MESI（缓存一致性协议）

嗅探

总线风暴

volatile 的两条实现原则

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## volatile 的定义 ##

Java代码在编译后会编程 Java 字节码，字节码在被类加载器加载到 JVM 里，JVM 执行字节码，最终需要转化为汇编指令在 CPU 上执行，Java 所使用的并发机制依赖于 JVM 的实现和 CPU 指令。

多线程中 synchronized 和 volatile 都扮演着重要的角色，volatile 是轻量级的 synchronized，它在多处理器开发中保证了共享变量的"可见性"（当一个线程修改了一个共享变量时，其他的线程能读到这个修改后的值）。如果 volatile 变量修饰符使用恰当的话，它比 synchronized 的使用和执行成本更低，因为它不会引起线程上下文的切换和调度。

> 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。

## 可见性问题 ##

public class JMMDemo {
       
        private static int num = 0;
    
        public static void main(String[] args) { // main
    
            new Thread(()->{ // 线程 1 
                while (num==0){
                }
            }).start();
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            num = 1;
            System.out.println(num);
        }
    }

上述代码在执行时可能出现死循环，原因在于线程 1 对主内存的变化不知道的，

该问题出现的原因在于线程1 获取不到 main 线程修改后的 num 值，为什么会出现这种问题？这里我们就要了解一下 Java 内存模型（简称 JMM）

## JMM（JavaMemoryModel） ##

JMM：Java内存模型，是java虚拟机规范中所定义的一种内存模型，Java内存模型是标准化的，屏蔽掉了底层不同计算机的区别（`注意这个跟JVM完全不是一个东西，只有还有小伙伴搞错的`）。描述了Java程序中各种变量(线程共享变量)的访问规则，以及在JVM中将变量，存储到内存和从内存中读取变量这样的底层细节。

**JMM有以下规定：**

所有的共享变量都存储于主内存，这里所说的变量指的是实例变量和类变量，不包含局部变量，因为局部变量是线程私有的，因此不存在竞争问题。

每一个线程还存在自己的工作内存，线程的工作内存，保留了被线程使用的变量的工作副本。

线程对变量的所有的操作(读，取)都必须在工作内存中完成，而不能直接读写主内存中的变量。

不同线程之间也不能直接访问对方工作内存中的变量，线程间变量的值的传递需要通过主内存中转来完成。

**本地内存和主内存的关系**

**正是因为这样的机制，才导致了可见性问题的存在**

## 保证可见性 ##

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

instance = new Singleton();   // instance 是 volatile 变量

转换成汇编代码

0x01a3de1d: movb $0×0,0×1104800(%esi);
    0x01a3de24: lock addl $0×0,(%esp);

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 。

*  将当前处理器缓存行的数据写回到系统内存。
 *  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

## 现代计算机的内存模型 ##

其实早期计算机中cpu和内存的速度是差不多的，但在现代计算机中，`cpu的指令速度远超内存的存取速度`，由于计算机的存储设备与处理器的运算速度有几个数量级的差距，所以现代计算机系统都不得不加入一层读写速度尽可能接近处理器运算速度的`高速缓存（Cache）`来作为内存与处理器之间的缓冲。

将运算需要使用到的数据复制到缓存中，让运算能快速进行，当运算结束后再从缓存同步回内存之中，这样处理器就无须等待缓慢的内存读写了。

基于高速缓存的存储交互很好地解决了处理器与内存的速度矛盾，但是也为计算机系统带来更高的复杂度，因为它引入了一个新的问题：`缓存一致性（CacheCoherence）`。

在多处理器系统中，每个处理器都有自己的高速缓存，而它们又共享同一主内存（MainMemory）。

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## MESI（缓存一致性协议） ##

当CPU写数据时，如果发现操作的变量是共享变量，即在其他CPU中也存在该变量的副本，会发出信号通知其他CPU将该变量的缓存行置为无效状态，因此当其他CPU需要读取这个变量时，发现自己缓存中缓存该变量的缓存行是无效的，那么它就会从内存重新读取。

> 问题：既然现代处理器都实现了 MESI，为什么 Java还要从软件层面提供 volatile 关键字？
> 
> [既然CPU有缓存一致性协议（MESI），为什么JMM还需要volatile关键字？ - 知乎][CPU_MESI_JMM_volatile_ -]

**怎么发现数据是否失效呢？**

### 嗅探 ###

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。

### **总线风暴** ###

由于Volatile的MESI缓存一致性协议，需要不断的从主内存嗅探和cas不断循环，无效交互会导致总线带宽达到峰值。

所以不要大量使用Volatile，至于什么时候去使用Volatile什么时候使用锁，根据场景区分。

## 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**

Lock 前缀指令导致在执行指令期间，声言处理器的 LOCK\#信号。在多处理器环境中，LOCK\#信号确保在声言该信号期间，处理器可以独占任何共享内存。但是，在最近的处理器里，LOCK＃信号一般不锁总线，而是锁缓存，毕竟锁总线开销的比较大。对于 Intel486 和 Pentium 处理器， 在锁操作时，总是在总线上声言 LOCK\#信号。但在 P6 和目前的处理器中，如果访问的内存区域已经缓存在处理器内部，则不会声言 LOCK\#信号。相反，它会锁定这块内存区域的缓存并回写到内存，并使用缓存一致性机制来确保修改的原子性，此操作被称为“缓 存锁定”，缓存一致性机制会阻止同时修改由两个以上处理器缓存的内存区域数据

**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**

IA-32 处理器和 Intel 64 处理器使用 MESI（修改、独占、共享、无效）控制协议去维护内部缓存和其他处理器缓存的一致性。在多核处理器系统中进行操作的时候，IA-32 和 Intel 64 处理器能嗅探其他处理器访问系统内存和它们的内部缓存。处理器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的数据在总线上保持一致。例如， 在 Pentium 和 P6 family 处理器中，如果通过嗅探一个处理器来检测其他处理器打算写内存地址，而这个地址当前处于共享状态，那么正在嗅探的处理器将使它的缓存行无效， 在下次访问相同内存地址时，强制执行缓存行填充

[6517a7db2bb742798d4dd3dc6f3d02a1.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/23/a04c8d2112da47138c8da9a7704ccded.png
[CPU_MESI_JMM_volatile_ -]: https://www.zhihu.com/question/296949412