jvm-volatile

Posted 2020-10-09 holoyong

我们都知道volatile为共享变量提供了可见性，下面就来分析这种可见性是如何实现的。

在说volatile之前，首先需要引入一个概念：缓存行。为了增加cpu的访存速度，通常会在cpu和内存之间增加多级缓存，如下图，L1、L2都是核心独享的缓存，L3为单个插槽上所有cpu共享的缓存，MainMemory为所有cpu共享。

 

根据局部性原理，cpu每次访问主存时都会读取至少一个缓存行的数据（通常一个缓存行为64字节，哪怕读取4字节数据，也会连续读取该数据之后的60字节），这里省略了多级缓存。

 

下面来做一个测试，两个线程分别对一个共享int变量进行10000000次++操作，最终的输出大概率小于20000000且大于10000000，这说明JMM对共享变量的更新操作的逻辑大致是，先同步会主存，然后再从主存读取该共享变量。

 1     private int i = 0;
 2     @Test
 3     public void testIPlusPlus() throws InterruptedException {
 4         CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(2);
 5         class Task implements Runnable {
 6 
 7             @Override
 8             public void run() {
 9                 for(int j=0; j<10000000; j++) {
10                     i++;
11                 }
12                 countDownLatch.countDown();
13             }
14         }
15         new Thread(new Task()).start();
16         new Thread(new Task()).start();
17         countDownLatch.await();
18         System.out.println(i);
19     }

 

说了这么多，现在来看volatile。

Java代码：	instance = new Singleton();//instance是volatile变量
汇编代码：	movb $0x0,0x1104800(%esi); lock addl $0x0,(%esp);

lock指令会锁定共享变量所在的所有缓存行，变量更新完成同步回内存后再释放，这样就会产生一个性能问题，当一个线程更新变量时，其他线程都无法对该变量的相邻变量操作了（因为相邻变量被预读取在同一缓存行）。

造成这种情况的根本原因在于，volatile锁定了缓存行，故要想优化volatile，可以使用填充空白字节的方法，将多个无关的共享变量存放在多个缓存行中。但这样做并不都是有利的，因为填充空白字节使得对象膨胀。

注意，要区分缓存（行）、工作内存、主内存，缓存是硬件概念，工作内存、主内存是JMM概念。假如有如下一个类，线程B读取value字段，线程A更新value字段，线程A更新next字段，此时双核cpu中每个核心的缓存可能都会有一个缓存行包含着value、next，线程A更新next的操作会使两个缓存行都失效，此时线程B再次读取value时就需要再次从工作内存中读取了（这就是要注意的地方，由于value只是普通字段，故不需要从主内存读取，又由于cpu缓存失效，故才需要从工作内存中读取，而此时工作内存中的值仍然是旧值）。

1 class Node{
2     private int value;
3     private volatile Node next;
4 }

 还要注意的是正是由于volatile声明才使得所有与volatile字段相关的缓存行失效，普通字段不会有这种效果。

 

参考：http://ifeve.com/volatile/

　　http://ifeve.com/disruptor-cacheline-padding/