深入剖析volitail关键字

深碍√TFBOYSˉ_ 2024-04-19 23:56 44阅读 0赞

# 背景 #

CPU缓存一致性问题：  
由来：CPU的发展频率不断得到提升，但是计算机内存在访问速度上没有多大突破，因此CPU的处理速度和内存的访问速度之间的差距越来越大，CPU资源  
受到大量限制，降低了CPU整体的吞吐量，为了解决这个问题，于是就开始在CPU和主存之间增加了缓存，现在缓存的数量可以增加到了3级。缓存的出现  
提高了CPU的吞吐能力，但是也引入了缓存一致性问题。比如i++这个操作，在程序运行过程中，首先要将主内存中的数据复制一份存放到CPU缓存中，CPU  
寄存器在进行计算的时候就直接到缓存中读取和存入，当整个过程运算结束之后再将缓存中的数据刷新到主存中去。  
具体过程如下：  
1）读取主内存的i到CPU Cache中  
2）对i进行加一操作  
3）将结果写回到CPU Cache中  
4)将结果刷新到主内存中  
i++在单线程的情况下不会出现任何问题，但是在多线程的情况下就会有问题，每个线程都有自己的工作内存（本地内存，相当于CPU中的Cache）,变量i  
会在多个线程的本地内存中存一个副本。如果同时有2个线程执行i++操作，假设i的初始值为0，每一个线程都从主内存中获取i的值存入CPU Cache中，然后  
经过计算再写入主内存中，很有可能i在经过了两次自增之后结果还是1，这就是典型的缓存不一致性问题。  
为了解决缓存不一致性问题，通常主流的解决办法有如下2种：  
通过总线加锁的方式。  
通过缓存一致性协议。  
第一种方式常见于早期的CPU中，是一种悲观的实现方式，CPU和其他组件的通信都是通过总线来进行的，如果采用总线加锁的方式，则会阻塞其他CPU对  
其他组件的访问，从而使得只有一个CPU能够访问这个变量的内存。这种方式效率低下，所以就有了第二种通过缓存一致性协议的方式来解决不一致的问题。  
在缓存一致性协议种最为出名的是Intel的MESI协议，该协议保证了每一个缓存种使用的共享变量副本都是一致的，它的大致思想是，当CPU在操作Cache中  
的数据时，如果发现该变量时一个共享变量，也就是说在其他的CPU Cache中也存在一个副本，那么进行如下操作：  
1）读取操作，不做任何处理，只是将Cache中的数据读取到寄存器。  
2）写入操作，发出信息通知其他CPU将该变量的Cache line置为无效状态，其他CPU在进行该变量读取时候不得不到主内存中再次获取。（volitail的可见性）

# 深入剖析volitail关键字 #

## 1.volatile关键字的语义 ##

被volitail修饰的实例变量或者类变量具备如下两层语义：  
保证了不同线程之间对共享变量操作时的可见性，也就是说当一个线程修改volitail修饰的变量，另外一个线程会立即看到最新的值。  
禁止对指令进行重排序操作。

## 2.volitail保证可见性 ##

Reader线程从主内存中获取init\_value的值为0，并且将其缓存到本地工作内存中。  
Updater线程将init\_valued的值在本地工作内存中修改为1，然后立即刷新至主内存中。  
Reader线程在本地工作内存中的init\_value失效，因此需要到主内存中重新读取init\_value的值。

## 3.volitail保证了顺序性 ##

volatile会直接禁止JVM和处理器对volitail关键字修饰的指令重排序，但是对于volatile前后无依赖关系的的指令则可以随便怎么排序。  
比如：  
int x = 0;  
int y = 1;  
volitail int z = 20;  
x++；  
y–;  
在语句volitail int z = 20之前，先执行x的定义还是先执行y的定义，我们并不关心，只要能百分之百保证到z=20的时候x=0,y=1，同理关于x的  
的自增以及y的自减操作都必须在z=20之后发生。

## 4.volitail不保证原子性 ##

private static volatile int i = 0;  
多个线程对i执行i++;最后的结果肯定是错误的。  
i++的操作其实是分三步组成的：  
1）.从主内存中获取i的值，然后缓存至线程的工作内存中  
2）.在线程工作内存中为i进行加1操作  
3）.将i的最新值写入主内存中  
上述3操作单独每一个都是原子性操作，但是合起来就不是了，因为在执行过程中很有可能被其他线程打断。例如如下的操作情况：  
1）假设此时i 的值为100，线程A要对变量i执行自增操作，首先它需要都主内存中读取i的值，可是此时由于CPU的时间片调度的关系，执行权切换到了  
线程B，A线程进入了RUNNABLE状态而不是RUNNING状态。（就是说A读取了主内存中i的值之后，CPU切换到了线程B下）  
2）线程B同样需要读取主内存中i的值，由于线程A没有对i做过任何修改操作，因此此时B获取到的i仍然是100.  
3）线程B工作内存中为i执行了加1的操作，但是未刷新至主内存中。  
4）CPU时间片的调度又将执行权给了线程A，A线程直接对工作线程中的100进行加1运算（因为A线程已经从主内存中读取了i的值），由于B线程并未写入i  
的最新值，因此A线程工作空间的100不会失效。（即使变量i被volitail关键字修饰，但是B线程还没有对i的值进行修改刷新到主内存，所以A的本地工作  
内存中的i的值不会失效，A不会去主存中读取i的值）  
5）线程A将i=101写入主内存中  
6）线程B将i=101写入主内存中（上面虽然线程A修改了主内存中i的值，使线程B中的工作内存中i的值失效了，线程B会立即到主内存中去读取最新的i的值  
这里体现了可见性，B线程读取到了i=101之后的操作是把自己工作内存中改动i=101并刷新到主内存中去）

参考资料：Java高并发编程详解