volatile的应用以及底层实现原理
volatile的定义
- Java语言规范第3版中对volatile的定义如下: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。Java语言
提供了volatile,在某些情况下比锁要更加方便。如果一个字段被声明成volatile,Java线程内存
模型确保所有线程看到这个变量的值是一致的。 - 排他锁又称写锁,当某个资源被上排他锁时,只能有一个线程占用,其他线程如果想要访问该资源只能等待。
- 在了解volatile实现原理之前,我们先来看下与其实现原理相关的CPU术语与说明。表是CPU术语的定义
volatile是如何来保证可见性的呢? 让我们在X86处理器下通过工具获取JIT编译器生成的
汇编指令来查看对volatile进行写操作时,CPU会做什么事情
- 有volatile变量修饰的共享变量进行写操作的时候会多出第二行汇编代码,通过查IA-32架
构软件开发者手册可知,Lock前缀的指令在多核处理器下会引发了两件事情:- 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里缓存了该内存地址的数据无效。
- 为了提高处理速度,处理器不直接和内存进行通信,而是先将系统内存的数据读到内部缓存(L1,L2或其他)后再进行操作,但操作完不知道何时会写到内存。如果对声明了volatile的变量进行写操作,JVM就会向处理器发送一条Lock前缀的指令,将这个变量所在缓存行的数据写回到系统内存。但是,就算写回到内存,如果其他处理器缓存的值还是旧的,再执行计算操作就会有问题。
- 所以,在多处理器下,为了保证各个处理器的缓存是一致的,就会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不是过期了,当处理器发现自己缓存行对应的内存地址被修改,就会将当前处理器的缓存行设置成无效状态,当处理器对这个数据进行修改操作的时候,会重新从系统内存中把数据读到处理器缓存里。
volatile的两条实现原则。
- Lock前缀指令会引起处理器缓存回写到内存
- 一个处理器的缓存回写到内存会导致其他处理器的缓存无效
volatile的使用优化
- 在JDK 7的并发包里新增一个队列集合类LinkedTransferQueue,它在使用volatile变量时,用一种追加字节的方式来优化队列出队和入队的性能 。LinkedTransferQueue的代码如下。
-
追加字节能优化性能?
- LinkedTransferQueue这个类,它使用一个内部类类型来定义队列的头节点(head)和尾节点(tail),而这个内部类PaddedAtomicReference相对于父类AtomicReference只做了一件事情,就是将共享变量加到64字节。我们可以来计算下,一个对象的引用占4个字节,它追加了15个变量(共占60个字节),再加上父类的value变量,一共64个字节。
-
为什么追加64字节能够提高并发编程的效率呢?
- 因为对于英特尔酷睿i7、酷睿、Atom和NetBurst,以及Core Solo和Pentium M处理器的L1、L2或L3缓存的高速缓存行是64个字节宽,不支持部分填充缓存行,这意味着,如果队列的头节点和尾节点都不足64字节的话,处理器会将它们都读到同一个高速缓存行中,在多处理器下每个处理器都会缓存同样的头、尾节点,当一个处理器试图修改头节点时,会将整个缓存行锁定,那么在缓存一致性机制的作用下,会导致其他处理器不能访问自己高速缓存中的尾节点,而队列的入队和出队操作则需要不停修改头节点和尾节点,所以在多处理器的情况下将会严重影响到队列的入队和出队效率。使用追加到64字节的方式来填满高速缓冲区的缓存行,避免头节点和尾节点加载到同一个缓存行,使头、尾节点在修改时不会互相锁定。
-
那么是不是在使用volatile变量时都应该追加到64字节呢?
-
不是的。 在两种场景下不应该使用这种方式。
- 缓存行非64字节宽的处理器。如P6系列和奔腾处理器,它们的L1和L2高速缓存行是32个
字节宽。 - 共享变量不会被频繁地写。因为使用追加字节的方式需要处理器读取更多的字节到高速缓冲区,这本身就会带来一定的性能消耗,如果共享变量不被频繁写的话,锁的几率也非常小,就没必要通过追加字节的方式来避免相互锁定。
- 缓存行非64字节宽的处理器。如P6系列和奔腾处理器,它们的L1和L2高速缓存行是32个
-
不是的。 在两种场景下不应该使用这种方式。