高并發編程-通過volatile重新認識CPU緩存 和 Java內存模型（JMM）

文章目錄

概述

volatile定義

CPU緩存

相關CPU術語

CPU緩存一致性協議MESI

帶有高速緩存的CPU執行計算的流程

CPU 多級的緩存結構

Java 內存模型 （JMM）

線程通信的兩種方式

哪些變量可以共享

JMM概述

Java內存模型的抽象結構示意圖

volatile 小demo

總結：volatile的兩條實現原則

概述

在多線程并發編程中synchronized和volatile都扮演著重要的角色。

volatile是輕量級的 synchronized，它在高并發中保證了共享變量的“可見性”。

那什么是可見性呢？

可見性 我們可以理解為：當一個線修改一個共享變量時，另外一個線程能讀到這個修改的值。

如果volatile變量修飾符使用恰的話，它比synchronized的使用和執行成本更低，因為

volatile不會引起線程上下文的切換和調度

volatile定義

Java規范第3版中對volatile的定義如下：

Java允許線程訪問共享變量，為了確保共享變量能被準確和一致地更新，線程應該確保通過排他鎖單獨獲得這個變量。

Java提供了volatile關鍵字，在某些場景下volatile比鎖synchronized要更加方便。

如果一個字段被聲明成volatile，Java線程內存模型(JMM)確保所有線程看到這個變量的值是一致的 .

CPU緩存

相關CPU術語

了解volatile實現原理之前，先了解下與其實現原理相關的CPU術語

CPU緩存一致性協議MESI

CPU緩存一致性協議MESI 請參考： CPU緩存一致性協議MESI

【M 修改 (Modified) E 獨享、互斥 (Exclusive) S 共享 (Shared) I 無效 (Invalid) 】

CPU的發展速度非常快，而內存和硬盤的發展速度遠遠不及CPU。這就造成了高性能能的內存和硬盤價格及其昂貴。然而CPU的高度運算需要高速的數據。為了解決這個問題，CPU廠商在CPU中內置了少量的高速緩存以解決I\O速度和CPU運算速度之間的不匹配問題

為了提高效率，CPU不直接和內存進行通信，而是先將系統內存的數據讀取到內部緩存（L1、L2或其他）后再進行操作。

但是有個問題： 當操作完成后，被修改的數據何時回寫到主內存呢？

假設某個共享變量聲明了volatile關鍵字進行寫操作 ，JVM就會向處理器發送一條Lock前綴指令，將這個變量所在緩存行的數據寫回到系統內存。

OK，就算寫回到內存，如果其他處理器緩存的值還是舊的，再執行計算操作就會有問題。

所以，在多處理器下，為了保證各個處理器的緩存是一致的，就要實現緩存一致性協議 ，每個處理器通過嗅探在總線（BUS）上傳播的數據來檢查自己緩存的值是不是過期了

當處理器發現自己緩存行對應的內存地址被修改，就會將當前處理器的緩存行設置成無效狀態，

當處理器對這個數據進行修改操作的時候，會重新從系統內存中把數據讀到處理器緩存

帶有高速緩存的CPU執行計算的流程

程序以及數據被加載到主內存

指令和數據被加載到CPU的高速緩存

CPU執行指令，把結果寫到高速緩存

高速緩存中的數據寫回主內存

CPU 多級的緩存結構

由于CPU的運算速度超越了1級緩存的數據I\O能力，CPU廠商又引入了多級的緩存結構。

L1/L2/L3 Cache速度差別

L1 cache: 3 cycles

L2 cache: 11 cycles

L3 cache: 25 cycles

Main Memory: 100 cycles

通常L1 Cache離CPU核心需要數據的地方更近，而L2 Cache則處于邊緩位置，訪問數據時，L2 Cache需要通過更遠的銅線，甚至更多的電路，從而增加了延時。

參見： 細說Cache-L1/L2/L3/TLB

Java 內存模型 （JMM）

線程通信的兩種方式

我們知道 線程間的通信，主要分為兩種方式

共享內存 (線程之間共享程序的公共狀態，通過寫-讀內存中的公共狀態進行隱式通信)

消息傳遞 (線程之間必須通過發送消息來顯式進行通信)

哪些變量可以共享

Java的并發采用的是共享內存模型 ， 在Java中，所有實例域、靜態域和數組元素都存儲在堆內存中，堆內存在線程之間共享 ，我們使用”共享變量”這個術語代指實例域，靜態域和數組元素

局部變量，方法定義參數和異常處理器參數不會在線程之間共享，它們不會有內存可見性問題，也不受內存模型的影響。

JMM概述

Java線程之間的通信由Java內存模型JMM）控制，JMM決定一個線程對共享變量的寫入何時對另一個線程可見 .

JMM定義了線程和主內存之間抽象關系：線程之間的共享變量存儲在主內存（Main Memory）中，每個線程都有一個私有的本地內存（Local Memory），本地內存中存儲了該線程以讀/寫共享變量的副本。

注： 本地內存是JMM的一個抽象概念，并不真實存在。它涵蓋了緩存、寫緩沖區、寄存器以及其他的硬件和編譯器化

Java內存模型的抽象結構示意圖

如下：

根據上述的描述，如果線程A和線程B要通信的話，步驟如下

線程A把本地內存A中更新過的共享變量刷新到主內存中去

線程B到主內存中去讀取線程A之前已更新過的共享變

線程A和線程B通信示意圖如下所示

本地內存A和本地內存B由主內存中共享變量x的副本。

假設初始時，這3個內存（本地內存A、本地內存B、主內存）中的x值都為0。

線程A在執行時，把更新后的x值（假設值為1）臨時存放在自己的本地內A中。

當線程A和線程B需要通信時，線程A首先會把自己本地內存中修改后的x值刷新到主內存中，此時主內存中的x值變為了1。

隨后，線程B到主內存中去讀取線程A更新后的x值，此時線程B的本地內存的x值也變為了1。

從整體來看，這兩個步驟實質上是線程A在向線程B發送消息，而且這個

通信過程必須要經過主內存。

JMM通過控制主內存與每個線程的本地內存之間的交互，來保證內存可見性保證。

volatile 小demo

先來個例子 感受下volatile的作用

倆線程 1個讀取共享變量 另外1個更新共享變量.

package com.artisan.test; /** * 倆線程 *

* 1個讀取共享變量 * 1個更新共享變量 */ public class VolatileDemo { // 共享變量 private volatile static int SHARED_VALUE = 0; private final static int MAX_VALUE = 10; public static void main(String[] args) { // 定義 讀取線程 new Thread(() -> { int localValue = SHARED_VALUE; // 循環， 如果localValue ！= SHARED_VALUE 輸出信息 while (SHARED_VALUE < MAX_VALUE){ if (localValue != SHARED_VALUE){ System.out.printf(Thread.currentThread().getName() + ": the SHARED_VALUE value has been updated to [%d] \n" , SHARED_VALUE); localValue = SHARED_VALUE; } } }, "Reader Thread").start(); // 定義 更新線程 new Thread(() -> { int localValue = SHARED_VALUE; // 循環 如果小于最大值，則更新localValue while (SHARED_VALUE < MAX_VALUE){ System.out.printf(Thread.currentThread().getName() + ": update SHARED_VALUE to [%d] \n" , ++localValue); SHARED_VALUE = localValue; try { // 為了演示效果，休眠一下 Thread.sleep(500); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } }, "Update Thread").start(); } }

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輸出：

Update Thread: update SHARED_VALUE to [1] Reader Thread: the SHARED_VALUE value has been updated to [1] Update Thread: update SHARED_VALUE to [2] Reader Thread: the SHARED_VALUE value has been updated to [2] Update Thread: update SHARED_VALUE to [3] Reader Thread: the SHARED_VALUE value has been updated to [3] Update Thread: update SHARED_VALUE to [4] Reader Thread: the SHARED_VALUE value has been updated to [4] Update Thread: update SHARED_VALUE to [5] Reader Thread: the SHARED_VALUE value has been updated to [5] Update Thread: update SHARED_VALUE to [6] Reader Thread: the SHARED_VALUE value has been updated to [6] Update Thread: update SHARED_VALUE to [7] Reader Thread: the SHARED_VALUE value has been updated to [7] Update Thread: update SHARED_VALUE to [8] Reader Thread: the SHARED_VALUE value has been updated to [8] Update Thread: update SHARED_VALUE to [9] Reader Thread: the SHARED_VALUE value has been updated to [9] Update Thread: update SHARED_VALUE to [10] Process finished with exit code 0

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如果 去掉volatile關鍵字呢 ？ 測試如下

由此可見 volatile關鍵字在高并發中保證了共享變量的“可見性”。

總結：volatile的兩條實現原則

總結一下

Lock前綴指令會引起處理器緩存回寫到內存

一個處理器的緩存回寫到內存會導致其他處理器的緩存無效

Java 任務調度

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