1、聊聊并發(fā)(1)：深入分析volatile的實(shí)現(xiàn)原理-編程開發(fā)技術(shù)聊聊并發(fā)(1)：深入分析volatile的實(shí) 現(xiàn)原理原文出處：方騰e引言在多線程并發(fā)編程中synchronized和volatile都扮演著重要的角色,volatile 是輕量級(jí)的synchronized,它在多處理器開發(fā)中保證了共享變量的“可見性”。 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。它在某些情況下比synchronized的開銷更小，本文將深入分析在硬件層 面上inter處理器是如何實(shí)現(xiàn)volatile的，通過深入分析能幫助我們止確的使 用volatile變量。術(shù)語定義術(shù)語英文單詞描

2、述共享變量在多個(gè)線程z間能夠被共享的變量被稱為共享 變量。共享變雖包括所冇的實(shí)例變屋，靜態(tài)變 量和數(shù)組元素。他們都被存放在堆內(nèi)存中， volatile只作用于共享變量。內(nèi)存屏障memory barriers是一組處理器指令，用于實(shí)現(xiàn)対內(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(chǔ)單位。處理器填寫 緩存線時(shí)會(huì)加載整個(gè)緩存線，需耍使用多個(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。緩存行填充cache line fill當(dāng)處理器識(shí)別到從內(nèi)存中讀取操作數(shù)是對(duì)緩存 的，處理器讀取整個(gè)緩存行到適當(dāng)?shù)木彺?l1, l2, l3的或所有)緩

3、存命中cache hit如果進(jìn)行高速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)，處理器從緩存中 讀取操作數(shù)，而不是從內(nèi)存。寫命中write hit當(dāng)處理辭將操作數(shù)寫回到一個(gè)內(nèi)存緩存的區(qū)域 吋，它首先會(huì)檢查這個(gè)緩存的內(nèi)存地址是否在 緩存行屮，如果存在一個(gè)何效的緩存行，則處理器將這個(gè)操作數(shù)寫制到緩存，而不是寫制到 內(nèi)存，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。volat訂e的官方定義java語言規(guī)范第三版中對(duì)volatile的定義如下：java編程語言允許線程訪問 共享變量，為了確保共享變量能被準(zhǔn)確和一致的更新

4、，線程應(yīng)該確保通過排他鎖 單獨(dú)獲得這個(gè)變量。java語言提供了 volatile,在某些情況下比鎖更加方便。 如果一個(gè)字段被聲明成volatile, 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。為什么要使用volatilevolatile變量修飾符如果使用恰當(dāng)?shù)脑挘萻ynchronized的使用和執(zhí)行成本 會(huì)更低，因?yàn)樗粫?huì)引起線程上下文的切換和調(diào)度。volatile的實(shí)現(xiàn)原理那么volatile是如何來保證可見性的呢？在x86處理器下通過工具獲取j1t編 譯器生成的匯編指令來看看對(duì)volatile進(jìn)行寫操作cpu會(huì)做什么事情。java代碼：instance = new s

5、ingleton();/instance 是 volatile 變量匯編代碼：0x01a3dcld:0,(%esp);movb $0 x 0,0 x 1104800(%csi);0x01a3dc24:?lock?addl $0 x有volatile變量修飾的共享變量進(jìn)行寫操作的吋候會(huì)多第二行匯編代碼，通過 查ia-32架構(gòu)軟件開發(fā)者手冊(cè)可知，lock前綴的指令在多核處理器下會(huì)引發(fā)了 兩件事情。將當(dāng)前處理器緩存行的數(shù)據(jù)會(huì)寫回到系統(tǒng)內(nèi)存。這個(gè)寫冋內(nèi)存的操作會(huì)引起在其他cpu里緩存了該內(nèi)存地址的數(shù)據(jù)無效。處理器為了提高處理速度，不直接和內(nèi)存進(jìn)行通訊，而是先將系統(tǒng)內(nèi)存的數(shù)據(jù)讀 到內(nèi)部緩存（l1,l2或

6、其他）后再進(jìn)行操作，但操作完之后不知道何時(shí)會(huì)寫到內(nèi) 存，如果對(duì)聲明了 volatile變量進(jìn)行寫操作，jvm就會(huì)向處理器發(fā)送一條lock 前綴的指令，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，如果其他處理器緩存的值還是舊的，再執(zhí)行計(jì)算操作就會(huì)有問題，所以在多 處理器下，為了保證各個(gè)處理器的緩存是一致的，就會(huì)實(shí)現(xiàn)緩存一致性協(xié)議，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，當(dāng)處 理器發(fā)現(xiàn)自c緩存行對(duì)應(yīng)的內(nèi)存地址被修改，就會(huì)將當(dāng)前處理器的緩存行設(shè)置成 無效狀態(tài)，當(dāng)處理器要對(duì)這個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改操作的時(shí)候，會(huì)強(qiáng)制重新從系統(tǒng)內(nèi)存 里把數(shù)據(jù)讀到處理器緩存里。這兩

7、件事情在ta-32軟件開發(fā)者架構(gòu)手冊(cè)的第三冊(cè)的多處理器管理章節(jié)（第八 章）中有詳細(xì)闡述。lock前綴指令會(huì)引起處理器緩存回寫到內(nèi)存。lock而綴指令導(dǎo)致在執(zhí)行指令期 間，聲言處理器的lock#信號(hào)。在多處理器環(huán)境屮，lock#信號(hào)確保在聲言該 信號(hào)期間，處理器可以獨(dú)占使用任何共享內(nèi)存。（因?yàn)樗鼤?huì)鎖住總線，導(dǎo)致其他 cpu不能訪問總線，不能訪問總線就意味著不能訪問系統(tǒng)內(nèi)存），但是在最近的 處理器里，lock#信號(hào)一般不鎖總線，而是鎖緩存，畢竟鎖總線開銷比較人。在 & 1. 4章節(jié)有詳細(xì)說明鎖定操作對(duì)處理器緩存的影響，對(duì)丁 intel486和pentium 處理器，在鎖操作時(shí)，總是在總線上

8、聲言lock#信號(hào)。但在p6和最近的處理器 中，如果訪問的內(nèi)存區(qū)域已經(jīng)緩存在處理器內(nèi)部，則不會(huì)聲言lock#信號(hào)。相反 地，它會(huì)鎖定這塊內(nèi)存區(qū)域的緩存并回寫到內(nèi)存，并使用緩存-致性機(jī)制來確保 修改的原子性，此操作被稱為“緩存鎖定”，緩存一致性機(jī)制會(huì)阻止同時(shí)修改被 兩個(gè)以上處理器緩存的內(nèi)存區(qū)域數(shù)據(jù)。一個(gè)處理器的緩存回寫到內(nèi)存會(huì)導(dǎo)致其他處理器的緩存無效。1a-32處理器和 intel 64處理器使用mesi （修改，獨(dú)占，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。在多核處理器系統(tǒng)屮進(jìn)行操作的吋候，ia-32和 intel 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。

9、它們使用 嗅探技術(shù)保證它的內(nèi)部緩存，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。例如在pentium和p6family處理器屮，如呆通過嗅探一個(gè)處理器來檢測(cè) 其他處理器打算寫內(nèi)存地址，而這個(gè)地址當(dāng)前處理共享狀態(tài)，那么正在嗅探的處 理器將無效它的緩存行，在下次訪問相同內(nèi)存地址吋，強(qiáng)制執(zhí)行緩存行填充。volat訂e的使用優(yōu)化著名的j3v3并發(fā)編程大師doug lea在jdk7的并發(fā)包里新增一個(gè)隊(duì)列集合類 linkedtransferqueue,他在使用volatile變量時(shí)，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。追加字節(jié)能優(yōu)化性能？這種方式看起來很神奇，但如果深入理解處理器架構(gòu)

10、就能 理解具中的奧秘。讓我們先來看看nkedtransferqueue這個(gè)類，它使用一個(gè)內(nèi) 部類類型來定義隊(duì)列的頭隊(duì)列（head）和尾節(jié)點(diǎn)（tail）,而這個(gè)內(nèi)部類 paddedatomicreference相對(duì)于父類atomicreference只做了一件事情，就將共 享變量追加到64字節(jié)。我們可以來計(jì)算下，一個(gè)對(duì)彖的引用占4個(gè)字節(jié)，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，一共64個(gè)字節(jié)。/* head of the queue */private transient final paddedatomicrefcrcnce<qnode> head;/*

11、tail of the queue */static final class paddedatomicreferenee <t> extends atomicreferenee <t>/ enough padding for 64bytes with 4byte refsobject po, pl, p2, p3, p4, p5, p6, p7, p8, p9, pa, pb, pc, pd, pe;paddedatomi creference(t r) super (r); public class atomicreference <v> implemen

12、ts java. io. serializable private volatile v value;/省略其他代碼為什么追加64字節(jié)能夠提高并發(fā)編程的效率呢？因?yàn)閷?duì)于英特爾酷睿i7,酷 睿，atom 和 nctburst, core solo 和 pentium m 處理器的 li, l2 或 l3 緩存 的高速緩存行是64個(gè)字節(jié)寬，不支持部分填充緩存行，這意味著如果隊(duì)列的頭 節(jié)點(diǎn)和尾節(jié)點(diǎn)都不足64字節(jié)的話，處理器會(huì)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(huì)緩存同樣的頭尾節(jié)點(diǎn)，當(dāng)一個(gè)處理器試圖修改頭接 點(diǎn)時(shí)會(huì)將整個(gè)緩存行鎖定，那么在緩存一致性機(jī)制的作用下，會(huì)導(dǎo)致其他處理器 不能訪問自c高速緩存中的尾節(jié)點(diǎn)，而隊(duì)列的入隊(duì)和出隊(duì)操作是需要不停修改頭 接點(diǎn)和尾節(jié)點(diǎn)，所以在多處理器的情況下將會(huì)嚴(yán)重影響到隊(duì)列的入隊(duì)和出隊(duì)效 率。doug lea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，避免頭接 點(diǎn)和尾節(jié)點(diǎn)加載到同一個(gè)緩存行，使得頭尾節(jié)點(diǎn)在修改時(shí)不會(huì)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？不是的。在兩種場(chǎng) 景下不應(yīng)該使用這種方式。第一：緩存行非64字節(jié)寬的處理器，如p6系列