深入分析Volatile的实现原理

2016/1/25 posted in  Java

Volatile是轻量级的synchronized,它在多处理器开发中保证了共享变量的可见性。它在某些情况下比synchronized的开销更小(因为它不会引起线程上下文的切换和调度)。

可见性的意思是当一个线程修改一个共享变量时,另外一个线程能读到这个修改的值。

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的更新,线程应该确保通过排他锁单独获得这个变量。Java提供了Volatile,在某些情况下比锁更加方便。如果一个字段被声明成VolatileJava线程内存模型确保所有线程看到这个变量的值是一致的。

Java代码: 
instance = new Singleton();//instance是volatile变量

汇编代码:   
0x01a3de1d: movb $0×0,0×1104800(%esi);
0x01a3de24: lock addl $0×0,(%esp);

volatile变量修饰的共享变量进行写操作的时候会多第二行汇编代码,lock前缀的指令在多核处理器下会引发两件事情:
- 将当前处理器缓存行的数据写回到系统内存
- 这个歇会内存的操作会引起其他CPU里缓存该内存地址的数据无效

处理器为了提高处理速度,不直接和内存进行通讯,而是先将系统内存的数据读到内部缓存(L1L2或其他)后再进行操作,但操作完之后不知道何时会写到内存,如果对声明了volatile变量进行写操作,JVM就会向处理器发送一条Lock前缀的指令,将这个变量所在的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,为了保证每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程上传播的数据来检查自己缓存的值是不是过期了,当处理器发现自动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为无效状态,当处理器要对这个数据进行修改操作的时候,会强制重新从系统内存把数据读到处理器缓存里。