Java代碼在編譯后會變成Java字節(jié)碼，字節(jié)碼被類加載器加載到JVM里拱礁，JVM執(zhí)行字節(jié)碼然爆，最終需要轉(zhuǎn)化為匯編指令在CPU上執(zhí)行，Java中所使用的并發(fā)機(jī)制依賴于JVM的實(shí)現(xiàn)和CPU的指令搔涝。
volatile的應(yīng)用
在多線程并發(fā)編程中synchronized和volatile都扮演著重要的角色厨喂，volatile是輕量級的synchronized，它在多處理器開發(fā)中保證了共享變量的“可見性”庄呈⊥苫停可見性的意思是當(dāng)一個(gè)線程修改一個(gè)共享變量時(shí)，另外一個(gè)線程能讀到這個(gè)修改的值诬留。如果volatile變量修飾符使用恰當(dāng)?shù)脑捫奔停萻ynchronized的使用和執(zhí)行成本更低，因?yàn)樗粫鹁€程上下文的切換和調(diào)度文兑。
1.volatile的定義與實(shí)現(xiàn)原理
Java語言規(guī)范第3版中對volatile的定義如下：Java編程語言允許線程訪問共享變量盒刚，為了確保共享變量能被準(zhǔn)確和一致地更新，線程應(yīng)該確保通過排他鎖單獨(dú)獲得這個(gè)變量绿贞。Java語言提供了volatile因块，在某些情況下比鎖要更加方便。如果一個(gè)字段被聲明成volatile樟蠕，Java線程內(nèi)存模型確保所有線程看到這個(gè)變量的值是一致的贮聂。
在了解volatile實(shí)現(xiàn)原理之前，我們先來看下與其實(shí)現(xiàn)原理相關(guān)的CPU術(shù)語與說明寨辩。
| 術(shù)語 | 英文單詞 | 術(shù)語描述 |
|---|---|---|
| 內(nèi)存屏障 | memory barriers | 是一組處理器指令吓懈，用于實(shí)現(xiàn)對內(nèi)存操作的順序限制 |
| 緩沖行 | cache line | 緩存中可以分配的最小存儲單位。處理器填寫緩存線時(shí)會加載整個(gè)緩存線靡狞，需要使用多個(gè)主內(nèi)存讀周期 |
| 原子操作 | atomic operations | 不可中斷的一個(gè)或一系列操作 |
| 緩沖行填充 | cache line fill | 當(dāng)處理器識別到從內(nèi)存中讀取操作數(shù)是可緩存的耻警，處理器讀取整個(gè)緩存行到適當(dāng)?shù)木彺妫↙1，L2甸怕，L3的或所有） |
| 緩存命中 | cache hit | 如果進(jìn)行告訴緩存行填充操作的內(nèi)存位置仍然是下次處理器訪問的地址時(shí)甘穿，處理器從緩存中讀取操作數(shù)，而不是從內(nèi)存讀取 |
| 寫命中 | write hit | 當(dāng)處理器將操作數(shù)寫回到一個(gè)內(nèi)存緩存的區(qū)域時(shí)梢杭，它首先會檢查這個(gè)緩存的內(nèi)存地址是否在緩存行中温兼，如果存在一個(gè)有效的緩存行，則處理器將這個(gè)操作數(shù)寫回到緩存武契，而不是寫回到內(nèi)存募判，這個(gè)操作被稱為寫命中 |
| 寫缺失 | write misses the cache | 一個(gè)有效的緩存行被寫入到不存在的內(nèi)存區(qū)域 |
volatile是如何來保證可見性的呢荡含？讓我們在X86處理器下通過工具獲取JIT編譯器生成的匯編指令來查看對volatile進(jìn)行寫操作時(shí)，CPU會做什么事情届垫。
Java代碼如下：
instance = new Singleton(); //instance是volatile變量
轉(zhuǎn)變成匯編代碼释液，如下：
0x01a3de1d: movb $0x0,0x1104800(%esi);
oxo1a3de24: lock add1 $0x0,(%esp);
有volatile變量修飾的共享變量進(jìn)行寫操作的時(shí)候會多出第二行匯編代碼，通過查IA-32架構(gòu)軟件開發(fā)者手冊可知装处，Lock前綴的指令在多核處理器下會引發(fā)了兩件事情误债。
將當(dāng)前處理器緩存行的數(shù)據(jù)寫回到系統(tǒng)內(nèi)存。
這個(gè)寫回內(nèi)存的操作會使在其他CPU里緩存了該內(nèi)存地址的數(shù)據(jù)無效妄迁。
為了提高處理速度寝蹈，處理器不直接和內(nèi)存進(jìn)行通信，而是先將系統(tǒng)內(nèi)存的數(shù)據(jù)讀到內(nèi)存緩存（L1判族，L2或其他）后再進(jìn)行操作躺盛，但操作完不知道何時(shí)會寫到內(nèi)存。如果對聲明了volatile的變量進(jìn)行寫操作形帮，JVM就會向處理器發(fā)送一條Lock前綴的指令槽惫，將這個(gè)變量所在緩存行的數(shù)據(jù)寫回到系統(tǒng)內(nèi)存。但是就算寫回到內(nèi)存辩撑，如果其他處理器緩存的值還是舊的界斜，再執(zhí)行計(jì)算操作就會有問題。所以合冀，在多處理器下各薇，為了保證各個(gè)處理器的緩存是一致的，就會實(shí)現(xiàn)緩存一致性協(xié)議君躺，每個(gè)處理器通過嗅探在總線上傳播的數(shù)據(jù)來檢查自己緩存的值是不是過期了峭判，當(dāng)處理器發(fā)現(xiàn)自己緩存行對應(yīng)的內(nèi)存地址被修改，就會將當(dāng)前處理器的緩存行設(shè)置成無效狀態(tài)棕叫，當(dāng)處理器對這個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改操作的時(shí)候林螃，會重新從系統(tǒng)內(nèi)存中把數(shù)據(jù)讀到處理器緩存里。
下面來具體講解volatile的兩條實(shí)現(xiàn)原則俺泣。
Lock前綴指令會引起處理器緩存回寫到內(nèi)存疗认。Lock前綴指令導(dǎo)致在執(zhí)行指令期間，聲名處理器的LOCK#信號伏钠。在多處理器環(huán)境中横漏，LOCK#信號確保在聲名該信號期間，處理器可以獨(dú)占任何共享內(nèi)存熟掂。但是缎浇，在最近的處理器里，LOCK#信號一般不鎖總線赴肚，而是鎖緩存华畏，畢竟鎖總線開銷的比較大鹏秋。對于Intel486和Pentium處理器尊蚁，在鎖操作時(shí)亡笑，總是在總線上聲明LOCK#信號。但在P6和目前的處理器中横朋，如果訪問的內(nèi)存區(qū)域已經(jīng)緩存在處理器內(nèi)部仑乌，則不會聲明LOCK#信號。相反琴锭，它會鎖定這塊內(nèi)存區(qū)域的緩存并會寫到內(nèi)存晰甚，并使用緩存一致性機(jī)制來確保修改的原子性，此操作被稱為“緩存鎖定”决帖，緩存一致性機(jī)制會阻止同時(shí)修改由兩個(gè)以上處理器緩存的內(nèi)存區(qū)域數(shù)據(jù)厕九。
一個(gè)處理器的緩存回寫到內(nèi)存會導(dǎo)致其他處理器的緩存無效。IA-32處理器和inter 64處理器使用MESI（修改地回、獨(dú)占扁远、共享、無效）控制協(xié)議去維護(hù)內(nèi)部緩存和其他處理器緩存的一致性刻像。在多核處理器系統(tǒng)中進(jìn)行操作的時(shí)候畅买，IA-32和inter 64處理器能嗅探其他處理器訪問系統(tǒng)內(nèi)存和它們的內(nèi)部緩存。處理器使用嗅探技術(shù)保證它的內(nèi)部緩存细睡、系統(tǒng)內(nèi)存和其他處理器的緩存的數(shù)據(jù)在總線上保持一致谷羞。例如，在Pentium和P6 family處理器中溜徙，如果通過嗅探一個(gè)處理器來檢測其他處理器打算寫內(nèi)存地址湃缎，而這個(gè)地址當(dāng)前處于共享狀態(tài)，那么正在嗅探的處理器將使它的緩存行無效蠢壹，在下次訪問相同內(nèi)存地址時(shí)嗓违，強(qiáng)制執(zhí)行緩存行填充。
2.volatile的使用優(yōu)化
著名的Java并發(fā)編程大師Dourglea在JDK7的并發(fā)包里新增一個(gè)隊(duì)列集合類LinkedTransferQueue知残，它在使用volatile變量時(shí)靠瞎，用一種追加字節(jié)的方式來優(yōu)化隊(duì)列出隊(duì)和入隊(duì)的性能。LinkedTransferQueue的代碼如下
//隊(duì)列中的頭部節(jié)點(diǎn)
private transient final PaddedAtomicReference<QNode> head;
//隊(duì)列中的尾部節(jié)點(diǎn)
private transient final PaddedAtomicReferfence<QNode> tail;
static final class PaddedAtomicReference<T> extends AtomicReference {
//使用很多4個(gè)字節(jié)的引用追加64個(gè)字節(jié)
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;
//省略其他代碼
}
追加字節(jié)能優(yōu)化性能求妹？這種方式看起來很神奇乏盐，但如果深入理解處理器架構(gòu)就能理解其中的奧秘。讓我們先來看看LinkedTransferQueue這個(gè)類制恍，它使用一個(gè)內(nèi)部類類型來定義隊(duì)列的頭節(jié)點(diǎn)（head）和尾節(jié)點(diǎn)（tail）父能，而這個(gè)內(nèi)部類PaddedAtomicReference相對于父類AtomicReference只做了一件事情，就是將共享變量追加到64字節(jié)净神。我們可以來計(jì)算下何吝，一個(gè)對象的引用占4個(gè)字節(jié)溉委，它追加了15個(gè)變量（共占60個(gè)字節(jié)），再加上父類的value變量爱榕，一個(gè)64個(gè)字節(jié)瓣喊。
為什么追加64字節(jié)能夠提高并發(fā)編程的效率呢？因?yàn)閷τ谟⑻貭柨犷7黔酥、酷睿藻三、Atom和NetBurst，以及Core Solo和Pentium M處理器的L1跪者、L2或L3緩存的高速緩存行是64個(gè)字節(jié)寬棵帽，不支持部分填充緩存行，這意味著渣玲，如果隊(duì)列的頭節(jié)點(diǎn)和尾節(jié)點(diǎn)都不足64字節(jié)的話逗概，處理器會將它們都讀到同一個(gè)高速緩存行中，在多處理器下每個(gè)處理器都會緩存同樣的頭忘衍、尾節(jié)點(diǎn)逾苫，當(dāng)一個(gè)處理器試圖修改頭節(jié)點(diǎn)時(shí)，會將整個(gè)緩存行鎖定淑履，那么在緩存一致性機(jī)制的作用下隶垮，會導(dǎo)致其他處理器不能訪問自己高速緩存中的尾節(jié)點(diǎn)，而隊(duì)列的入隊(duì)和出隊(duì)操作則需要不停修改頭節(jié)點(diǎn)和尾節(jié)點(diǎn)秘噪，所以在多處理器的情況下將會嚴(yán)重影響到隊(duì)列的入隊(duì)和出隊(duì)效率狸吞。Douglea使用追加到64字節(jié)的方式來填滿高速緩沖區(qū)的緩存行，避免頭節(jié)點(diǎn)和尾節(jié)點(diǎn)加載到同一個(gè)緩存行指煎，使頭蹋偏、尾節(jié)點(diǎn)在修改時(shí)不會互相鎖定。
那么是不是在使用volatile變量時(shí)都應(yīng)該追加到64字節(jié)呢至壤？不是的威始。在兩種場景下不應(yīng)該使用這種方式：
- 緩存行非64字節(jié)寬的處理器。如P6系列和奔騰處理器像街，它們的L1和L2告訴緩存行是32個(gè)字節(jié)寬黎棠。
- 共享變量不會被頻繁地寫。因?yàn)槭褂米芳幼止?jié)地方式需要處理器讀取更多的字節(jié)到高速緩沖區(qū)镰绎，這本身就會帶來一定的性能消耗脓斩，如果共享變量不被頻繁寫的話，鎖的幾率也非常小畴栖，就沒必要通過追加字節(jié)的方式來避免相互鎖定随静。
