Java并发编程-Volatile

发布于:2021-07-19 22:54:28



Java并发编程-Volatile
Java并发编程Volatile的应用Volatile的定义与实现原理线程与主内存的通信Volatile的两条实现原则Lock前缀指令会引起线程缓存回写到内存一个线程的缓存回写到内存会导致其他处理器的缓存无效




Java并发编程

Java代码在汇编后会变成Java字节码,字节码被类加*骷釉氐絁VM里,JVM将字节码转化为指令码在CPU上执行,所以Java中使用的并发机制依赖于JVM的实现和CPU的指令,下面我们就Java并发编程中的Volatile关键字进行探索。


Volatile的应用

volatile在多线程并发编程中扮演着重要的角色,volatile是轻量级锁,它在多处理器开发中保证了共享变量的“可见性”。可见性的意思是说当一个线程修改一个共享变量时,其他线程可以读到这个修改的值。它比synchronize的使用和执行成本更低,因为它不会引起线程上下文的切换和调度。


Volatile的定义与实现原理

Java语言规范第三版中对Volatile的定义为:Java编程语言允许线程访问共享变量,为了确保共享变量能被准确和一致地更新,线程应该确保通过排他锁单独获得这个变量。,所以如果一个字段被声明成Volatile,Java线程内存模型会确保共享变量的可见性。
Volatile是如何来保证可见性的呢?我们通过Javap进行反编译可以发现,有volatile变量修饰的共享变量进行写操作的时候会添加Lock前缀指令,Lock前缀的指令在多核处理器下会引发两件事:
1、将当前处理器缓存行的数据写回到系统内存,
2、这个写回内存的操作会使在其他CPU里缓存了该内存的地址的数据无效。


线程与主内存的通信

想要解释volatile的具体实现,首先要提一下线程与主内存的数据通信,为了提高处理速度,各线程会从主内存中复制需要的变量到自己的线程内部缓存中,然后再进行操作,但一般数据操作结束后并不会直接歇会到内存中。如果指令前有Lock前缀,处理器就会将这个变量所在的缓存行的数据写回到系统内存。但即使这样,如果其他线程中缓存的值还是旧的,再执行计算操作也会有问题,所以,多线程下,为了保证各个线程的缓存的一致性,还要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否已经过期了,当线程发现自己缓存行对应的内存地址被修改,就会将当前缓存行设置为无效状态,当线程再次对这个数据进行计算时,会重新从系统内存中把数据读取出来。


Volatile的两条实现原则
Lock前缀指令会引起线程缓存回写到内存

Lock前缀指令导致在执行指令期间,声言处理器的LOCK#信号,在多线程环境中,LOCK#信号的传统处理方式是添加总线锁,及处理器可以独占任何共享内存,但开销较大。现在LOCK#信号一般不锁总线,而是锁缓存。即如果访问的内存区域已经缓存在线程的内部,则不会声言LOCK#信号,相反,它会锁定这块内存区域的缓存并回写到内存,并使用缓存一致性机制来确保修改的原子性,此操作被称为“缓存锁定”,缓存一致性机制会阻止同时修改由两个以上线程缓存的内存区域数据。


一个线程的缓存回写到内存会导致其他处理器的缓存无效

现在大多数处理器使用的是MESI缓存一致性策略和其他处理器缓存一致性。各线程使用总线嗅探技术保证它的内存缓存、系统内存和其他线程的缓存的数据在总线上保持一致。如果一个线程通过嗅探检测到其他线程打算写内存地址,而这个地址当前处于共享状态,那么正在嗅探的线程将使它的缓存行无效,在下次访问相同内存地址时,强制执行缓存行填充。

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