并发编程--volatile应用与原理

你的名字 2022-06-18 05:39 214阅读 0赞

volatile在并发编程中扮演着重要的角色（并发编程包java.util.concurrent中运用了volatile的特性），volatile被称为轻量级锁，它在多处理器开发中保证了共享变量的“可见性”，可见性的意思是当一个线程修改一个共享变量时，另外一个线程能读到这个修改的值。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。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。

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。  
Java代码如下。  
instance = new Singleton(); // instance是volatile变量  
转变成汇编代码，如下。  
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\[1\]。  
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。

下面来具体讲解volatile的两条实现原则。  
1）Lock前

总结：简单来说对于volatile修饰的变量在多线程下，任意一个线程对变量值的修改，其他线程获取到的值都是修改后的值。