volatile的原理

Posted 2023-02-06 迪巴哥没八哥

volatile的原理

​ volatile是轻量级的synchronized，多处理器开发中保证共享变量“可见性”。可见性是指一个线程修改某共享变量时，另外一个线程能读到改变修改的值。如果volatile变量修饰符使用恰当，比synchronized使用与执行成本更加低的，他不会引起上下文切换与调度。

​ Java对volatile定义如下：Java编程语言允许线程访问共享变量，volatile某些情况比锁过更方便。如果某字段声明为volatile，Java线程内存模型确保所有线程看到变量值是一致的。

​ 了解volatile原理我们可以看下与其原理相关堵塞CPU术语，如下所示。

​ volatile是如何保证可见性的呢？我们通过如下代码来测试

public class VolatileTest 
    private static volatile boolean flag = false;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException 
        new Thread(new Runnable() 
            @Override
            public void run() 
                System.out.println("waiting data....");
                while (!flag) 
                
                System.out.println("============success");
            
        ).start();
        Thread.sleep(2000);

        new Thread(new Runnable() 
            @Override
            public void run() 
                prepare();
            
        ).start();
    

    private static void prepare() 
        System.out.println("1111111111111");
        flag = true;
        System.out.println("2222222222222");
    

由于volatile底层是c语言实现的，因此不能够在idea中剖析其源码，要借助其他工具（hsdis-amd64.dll）打印汇编指令来查看实现原理，步骤如下：

1、将hsdis-amd64.dll复制到jre的server文件夹下

2、idea加入如下虚拟机参数：

-server -Xcomp -XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX:+PrintAssembly -XX:CompileCommand=compileonly,*VolatileTest.prepare

3、启动程序我们可以看到控制台会打印汇编程序。

其中我们会看到lock指令，它主要做了两件事情。

1. 将当前处理器缓存行的数据写回到系统内存。
2. 写回内存的操作使其他cpu里缓存了该内存地址的数据无效。

为提高处理速度，处理器不直接与内存进行通信，而是把系统内存的数据读到内部缓存后再进行操作，但操作完不知道何时会写到内存。如果对声明volatile的变量进行写操作，jvm会向处理器发送Lock前缀指令，将变量所在缓存行数据写回系统内存。而且为了保证各个处理器缓存值是一致的，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检查自己缓存值是否过期，当处理器发现自己缓存行对应内存地址被修改，就会把当前处理器缓存行设置成无效状态，处理器对数据进行修改操作，从系统内存把数据读到处理器缓存里。

​ 我们接下来说说volatile的两条实现原则：

1. ​ Lock前缀指令引起处理器缓存回写到内存。Lock前缀指令在执行指令期间，发出LOCK#信号，多处理器环境下，LOCK#信号确保信号期间，处理器可独占任何共享内存。但是，在最近处理器里，LOCK#信号一般不锁总线，而是锁缓存。如果访问的内存区域已经缓存在处理器内部，则不会声言LOCK#信号。相反会锁定这块内存区域的缓存并写回内存，使用一致性机制确保修改原子性，此操作称为“缓存锁定”，缓存一致性协议会阻止同时修改两个以上处理器缓存的内存区域数据。
2. 一个处理器的缓存回写到内存导致其他处理器缓存无效。IA-32处理器与Intel 64处理器使用MESI（修改、独占、共享、无效）控制协议去维护内部缓存何其他处理器缓存的一致性。多核处理器系统操作时，IA-32和Intel 64处理器能嗅探其他处理器访问系统内内存与他们的内部缓存。处理器使用嗅探技术保证内部缓存、系统内存与其他处理器缓存的数据在总线上保持一致。

如图是volatile底层原理.

1、线程1执行引擎，拿到初始变量initFlag为false。

2、线程2改变initFlag为true，改变线程二缓存的值。

3、通过MESI缓存一致协议，立马将内存中的值也变为initFlag=true。

4、线程1通过嗅探机制再次读取内存中的值，改变缓存中的值。

通过lock指令保证原子性，如果线程1去读取内存中的值时，lock没有unlock掉，则读取的值无效。

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