原理剖析(第 001 篇)Volatile工作原理分析

原理剖析(第 001 篇)Volatile工作原理分析

一、大致介绍

1、用过这个关键字的童鞋都知道,都知道这个关键字很强大,主要作用是保证变量在多线程之间的可见性;
2、volatile在concurrent包中起着举足轻重的作用,为大量的并发类提供了有力的援助;
3、接下来我们从了解CPU缓存开始,然后再深入原理剖析,循序渐进的了解volatile;

二、CPU缓存

2.1 传输链路

CPU(线程) 
--》  CPU缓存(一级、二级、三级缓存等)  
--》  主内存

大致的传输方向就这样,而且还是必须是双向传输。

2.2 CPU缓存

1、CPU缓存解决了CPU运算速度与内存读者速度不匹配的问题;

2、因为主内存访问通常比较慢,访问时间大概在几十到几百个时钟,而CPU缓存还有一二三级之分,每个级别的读者速度虽然很快,
   但还是有访问速度的区分,至少比主内存的读者速度快很多,所以CPU缓存它的出现在很大程度上提高了数据之间的传输;

3、每一级缓存中所存储的数据全部都是下一级缓存中的一部分,这三种缓存的技术难度和制造成本是相对递减的,所以其容量也相对递增;

4、当CPU要读取一个数据时,首先从一级缓存中查找,如果没有再从二级缓存中查找,如果还是没有再从三级缓存中或内存中查找。
   一般来说每级缓存的命中率大概都有80%左右,也就是说全部数据量的80%都可以在一级缓存中找到;

三、原理特性

3.1、可见性

1、浅显的讲,不论线程是如何如何的访问带volatile字段的对象,都会访问到内存中最新的一份值,这就是可见性的大致阐述;

2、具体的讲,当我们在java代码中书写的那行对volatile对象进行写操作时,JVM会向处理器发送一条Lock指令,
   Lock指令锁住(锁总线)确保变量对象所在缓存行数据会更新到主内存中去,确保更新后如果再有其他线程访问该对象,
   其他线程一律强制从主内存中重新读取最新的值。

3、因为所有内存的传输都发生在一条共享的总线上,并且所有的处理器都能看到这条总线,那么既然所有处理器都能看到这条总线,
   总不至于看见了不干点啥吧?

4、没错,每个处理器都会通过一种嗅探技术,不停的嗅探总线上传输的数据,以便来检查自己缓存中的数据是否过期。
   当处理器发现高速缓存中的数据对应的内存地址被修改,会将该缓存数据置为失效,当处理器下次访问该内存地址
   数据时,将强制重新从系统内存中读取。

5、而且CPU制造商也曾制定了一个这样的规则:当一个CPU修改缓存中的字节对象时,服务器中其他CPU会被通知,它们的缓存将视为无效。
   当那些被视为无效变量所在的线程再次访问字节对象时,则强制再次从主内存中获取最新值。

6、至于第2点提到Lock锁总线,其实最初采用锁总线,虽说能解决问题,但是效率地下,一旦锁总线,其他CPU就得干等着,
   光看不干效率不行嘛。所以后来优化成了锁缓存,效率也高了,开销也自然就少了,总之Lock目的很明确,确保锁住的那份值最新,
   且其他持有该缓存的备份处都得失效,其实这种锁缓存过程的思想也正是缓存一致性协议的核心思想。

7、综上所述,所以不论何时不论何地在哪种多线程环境下,只要你想获取被volatile修饰过的字段,都能看到最新的一份值,
   这就是可见性的终极描述。

3.2、有序性

1、浅显的讲,A1,A2,A3三块代码先后执行,A2有一行代码被volatile修饰过,那么在被反编译成指令进行重排序时,A2必须等到A1
   执行完了才能开始,但是A1内部的指令可以支持重排指令;而A3代码块的执行必须等到A2执行完了才能开始,但是A3内部的指令可以支持
   重排指令,这就是有序性,只要A2夹在中间,A2必须等A1执行完才能干活,A2没干完活,A3是不允许开工的。

2、具体的讲,Lock前缀指令实际上相当于一个内存屏障(也成内存栅栏),它确保指令重排序时不会把其后面的指令排到内存屏障之前的位置,
   也不会把前面的指令排到内存屏障的后面;即在执行到内存屏障这句指令时,在它前面的操作已经全部完成。

3、综上所述,有序不是我们通常说的自然顺序,而是在有volatile修饰时,存在类似尊卑等级的先后有序这么一说。

3.3、非原子性

1、本不该拿到台面上讲是不是属于volatile的特性,因为我们不能认为仅仅只是因为可见性随处都是最新值,那么就认为是原子性操作。

2、对于第1种想法,简直是大错特错,因为可见性只是将volatile变量这回主内存并使得其他CPU缓存失效,但是不带代表对volatile变量
   回写主内存的动作和对volatile变量的逻辑操作是捆绑在一起的。因此既要逻辑操作,又要写回主内存,这本来就违背了volatile特性
   的本意,所以volatile并不是原子操作的。

四、下载地址

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