volatile关键字

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”。可见性的意思是一个线程修改一个共享变量时,另一个线程能读到这个修改后的值。volatile的使用成本比synchronized的低,因为它不会引起上下文的切换和调度。

定义

为了保证共享变量被准确个一致的更新,线程因该确保通过排它锁单独获得这个变量。如果一个字段被声明成volatile,java线程内存模型会确保所有线程看到这个变量的值是一致的。

原理

使用volatile修饰的变量,在汇编代码中会使用Lock指令来实现,Lock指令会做两件事情:

  • 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,处理器不会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。

volatile关键字是使用LOCK#信号,这个的作用是是锁缓存而不是锁总线,毕竟锁总线开销的比较大。

java内存模型

volatile的使用优化

LinkedTransferQueue,它在使用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。LinkedTransferQueue的代码如下:

/** 队列中的头部节点 */
private transient f?inal PaddedAtomicReference<QNode> head;
/** 队列中的尾部节点 */
private transient f?inal PaddedAtomicReference<QNode> tail;
static f?inal class PaddedAtomicReference <T> extends AtomicReference T> {
// 使用很多4个字节的引用追加到64个字节
Object p0, p1, p2, p3, p4, p5, p6, p7, p8, p9, pa, pb, pc, pd, pe;
PaddedAtomicReference(T r) {
super(r);
}
}
public class AtomicReference <V> implements java.io.Serializable {
private volatile V value;
// 省略其他代码
}

LinkedTransferQueue这个类,它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。

现在主流处理器的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,如果队列的头节点和尾节点都不足64字节的话,处理器会将它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。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,使头、尾节点在修改时不会互相锁定。

参考

《java并发编程的艺术》