java 高并發(fā)中volatile的實現原理

摘要: 在多線程并發(fā)編程中synchronized和Volatile都扮演著重要的角色，Volatile是輕量級的synchronized，它在多處理器開發(fā)中保證了共享變量的“可見性”?？梢娦缘囊馑际钱斠粋€線程修改一個共享變量時，另外一個線程能讀到這個修改的值。它在某些情況下比synchronized的開銷更小

1. 定義：

java編程語言允許線程訪問共享變量，為了確保共享變量能被準確和一致的更新，線程應該確保通過排他鎖單獨獲得這個變量。Java語言提供了volatile，在某些情況下比鎖更加方便。如果一個字段被聲明成volatile，java線程內存模型確保所有線程看到這個變量的值是一致的

2. volatile實現原理

那么Volatile是如何來保證可見性的呢？在x86處理器下通過工具獲取JIT編譯器生成的匯編指令來看看對Volatile進行寫操作CPU會做什么事情。

Java代碼： instance = new Singleton();//instance是volatile變量

匯編代碼： 0x01a3de1d: movb $0x0,0x1104800(%esi);0x01a3de24: lock addl $0x0,(%esp);

有volatile變量修飾的共享變量進行寫操作的時候會多第二行匯編代碼，通過查IA-32架構軟件開發(fā)者手冊可知，lock前綴的指令在多核處理器下會引發(fā)了兩件事情。

將當前處理器緩存行的數據會寫回到系統(tǒng)內存。

這個寫回內存的操作會引起在其他CPU里緩存了該內存地址的數據無效。

處理器為了提高處理速度，不直接和內存進行通訊，而是先將系統(tǒng)內存的數據讀到內部緩存（L1,L2或其他）后再進行操作，但操作完之后不知道何時會寫到內存，如果對聲明了Volatile變量進行寫操作，JVM就會向處理器發(fā)送一條Lock前綴的指令，將這個變量所在緩存行的數據寫回到系統(tǒng)內存。但是就算寫回到內存，如果其他處理器緩存的值還是舊的，再執(zhí)行計算操作就會有問題，所以在多處理器下，為了保證各個處理器的緩存是一致的，就會實現緩存一致性協議，每個處理器通過嗅探在總線上傳播的數據來檢查自己緩存的值是不是過期了，當處理器發(fā)現自己緩存行對應的內存地址被修改，就會將當前處理器的緩存行設置成無效狀態(tài)，當處理器要對這個數據進行修改操作的時候，會強制重新從系統(tǒng)內存里把數據讀到處理器緩存里。

Lock前綴指令會引起處理器緩存回寫到內存。Lock前綴指令導致在執(zhí)行指令期間，聲言處理器的 LOCK# 信號。在多處理器環(huán)境中，LOCK# 信號確保在聲言該信號期間，處理器可以獨占使用任何共享內存。（因為它會鎖住總線，導致其他CPU不能訪問總線，不能訪問總線就意味著不能訪問系統(tǒng)內存），但是在最近的處理器里，LOCK＃信號一般不鎖總線，而是鎖緩存，畢竟鎖總線開銷比較大。在8.1.4章節(jié)有詳細說明鎖定操作對處理器緩存的影響，對于Intel486和Pentium處理器，在鎖操作時，總是在總線上聲言LOCK#信號。但在P6和最近的處理器中，如果訪問的內存區(qū)域已經緩存在處理器內部，則不會聲言LOCK#信號。相反地，它會鎖定這塊內存區(qū)域的緩存并回寫到內存，并使用緩存一致性機制來確保修改的原子性，此操作被稱為“緩存鎖定”，緩存一致性機制會阻止同時修改被兩個以上處理器緩存的內存區(qū)域數據。

一個處理器的緩存回寫到內存會導致其他處理器的緩存無效。IA-32處理器和Intel 64處理器使用MESI（修改，獨占，共享，無效）控制協議去維護內部緩存和其他處理器緩存的一致性。在多核處理器系統(tǒng)中進行操作的時候，IA-32 和Intel 64處理器能嗅探其他處理器訪問系統(tǒng)內存和它們的內部緩存。它們使用嗅探技術保證它的內部緩存，系統(tǒng)內存和其他處理器的緩存的數據在總線上保持一致。例如在Pentium和P6 family處理器中，如果通過嗅探一個處理器來檢測其他處理器打算寫內存地址，而這個地址當前處理共享狀態(tài)，那么正在嗅探的處理器將無效它的緩存行，在下次訪問相同內存地址時，強制執(zhí)行緩存行填充

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