并发：volatile的应用。

ゝ一纸荒年。 2024-02-19 13:37 8阅读 0赞

## 定义 ##

Java语言规范第3版中对volatile的定义如下：Java变成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的更新，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。

## 实现原则 ##

以下为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（汇编代码）导致在指令期间，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，他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他们的内存缓存。处理器使用嗅探技术保证他的内部缓存、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Pentiumh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。

## volatile的使用优化 ##

在JDK 7的并发包里新增一个队列集合类LinkedTransferQueue，他在使用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。

**追加字节能优化性能？**这种方式看起来很神奇，但如果深入理解处理器架构就能理解其中的奥秘。让我们先来看看LinkedTransferQueue这个类，他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，就是将共享变量追加到64字节。我们可以来计算下，一个对象的引用占4个字节，他追加了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，处理器会将他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。Doug lea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，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，他们的L1和L2告诉缓存行是32个字节宽。
 *  共享变量不会被频繁的写。因为使用追加字节的方式需要处理器读取更多的字节到告诉缓冲区，这本身就会带来一定的性能消耗，如果共享变量不会频繁写的话，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。

不过这种追加字节的方式在Java7下可能不生效，因为Java7变得更加智慧，他会淘汰或重新排列无用字段，需要使用其他追加字节的方式。