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Volatile和高速缓存的关系

网友: 文档中心 2022-12-20 22:13:12

“volatile关键字有什么用？”

1 常见理解错误

  • 把volatile当成一种锁机制，认为给变量加上了volatile，就好像是给函数加sychronized，不同的线程对于特定变量的访问会去加锁
  • 把volatile当成一种原子化的操作机制，认为加了volatile之后，对于一个变量的自增的操作就会变成原子性
// 一种错误的理解，是把volatile关键词，当成是一个锁，可以把long/double这样的数的操作自动加锁private volatile long synchronizedValue = 0;// 另一种错误的理解，是把volatile关键词，当成可以让整数自增的操作也变成原子性的private volatile int atomicInt = 0;amoticInt++;

很多工程师容易把volatile关键字，当成和锁或者数据数据原子性相关的知识点。volatile最核心要关系JMM。

JMM是JVM这个进程级虚拟机里的一个内存模型，但该内存模型和计算机组成里的CPU、高速缓存和主内存组合在一起的硬件体系类似。理解JMM，可更容易理解计算机组成里CPU、高速缓存和主内存之间的关系。

2 “隐身”的变量

dzone.com代码段，后续修改这段代码来进行各种小实验。

2.1 demo1

public class VolatileTest {    private static volatile int COUNTER = 0;    public static void main(String[] args) { new ChangeListener().start(); new ChangeMaker().start();    }    static class ChangeListener extends Thread { @Override public void run() {     int threadValue = COUNTER;     while ( threadValue < 5){  if( threadValue!= COUNTER){      System.out.println("Got Change for COUNTER : " + COUNTER + "");      threadValue= COUNTER;  }     } }    }    static class ChangeMaker extends Thread{ @Override public void run() {     int threadValue = COUNTER;     while (COUNTER <5){  System.out.println("Incrementing COUNTER to : " + (threadValue+1) + "");  COUNTER = ++threadValue;  try {      Thread.sleep(500);  } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }     } }    }}

先定义了一个volatile的int类型的变量，COUNTER。

然后，分别启动两个独立线程：

  • ChangeListener
    先取到COUNTER当前值，然后一直监听该COUNTER值。一旦COUNTER值变化，就把新值打印。直到COUNTER的值达到5。这监听过程，通过while死循环的忙等待实现
  • ChangeMaker
    取到COUNTER的值，在COUNTER小于5的时候，每隔500毫秒，就让COUNTER自增1。在自增前，通过println方法把自增后的值打印

输出结果并不让人意外。ChangeMaker函数会一次一次将COUNTER从0增加到5。因为这个自增是每500毫秒一次，而ChangeListener去监听COUNTER是忙等待的，所以每一次自增都会被ChangeListener监听到，然后对应的结果就会被打印出来。

Incrementing COUNTER to : 1Got Change for COUNTER : 1Incrementing COUNTER to : 2Got Change for COUNTER : 2Incrementing COUNTER to : 3Got Change for COUNTER : 3Incrementing COUNTER to : 4Got Change for COUNTER : 4Incrementing COUNTER to : 5Got Change for COUNTER : 5

2.2 demo2

把上面的程序小小地修改一行代码，把定义COUNTER变量时的volatile去掉，会咋样？

private static int COUNTER = 0;

ChangeMaker还是能正常工作，每隔500ms仍然能够对COUNTER自增1。但ChangeListener不再工作。在ChangeListener眼里，它似乎一直觉得COUNTER的值还是一开始的0。似乎COUNTER的变化对ChangeListener彻底“隐身”。

Incrementing COUNTER to : 1Incrementing COUNTER to : 2Incrementing COUNTER to : 3Incrementing COUNTER to : 4Incrementing COUNTER to : 5

2.3 demo3

不再让ChangeListener进行完全的忙等待，而是在while循环里小等5ms

static class ChangeListener extends Thread {    @Override    public void run() { int threadValue = COUNTER; while ( threadValue < 5){     if( threadValue!= COUNTER){  System.out.println("Sleep 5ms, Got Change for COUNTER : " + COUNTER + "");  threadValue= COUNTER;     }     try {  Thread.sleep(5);     } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } }    }}

虽然COUNTER变量仍没设置volatile这个关键字，但ChangeListener似乎“睡醒了”。在通过Thread.sleep(5)在每个循环里“睡“5ms后，ChangeListener又能够正常取到COUNTER的值了。

Incrementing COUNTER to : 1Sleep 5ms, Got Change for COUNTER : 1Incrementing COUNTER to : 2Sleep 5ms, Got Change for COUNTER : 2Incrementing COUNTER to : 3Sleep 5ms, Got Change for COUNTER : 3Incrementing COUNTER to : 4Sleep 5ms, Got Change for COUNTER : 4Incrementing COUNTER to : 5Sleep 5ms, Got Change for COUNTER : 5

这些现象就来自于 JMM 及关键字volatile的含义。volatile究竟代表什么？

它确保我们对该变量的读取和写入，一定同步到主内存，而非从Cache读取。

3 如何理解这句话？

3.1 有volatile

因所有数据的读、写都来自主内存。自然ChangeMaker和ChangeListener之间，看到的COUNTER值一样。

3.2 无volatile

这时，ChangeListener又是一个忙等待的循环，它尝试不停获取COUNTER值，这样就会从当前线程的“Cache”获取。于是，这线程就没有时间从主内存同步更新后的COUNTER值。这样，它就一直卡死在COUNTER=0的死循环。

3.3 虽无volatile，但短短5ms的Thead.Sleep给了这线程喘息之机

既然这个线程没有这么忙了，它就有机会把最新数据从主内存同步到自己的高速缓存。于是，ChangeListener在下一次查看COUNTER值的时候，就能看到ChangeMaker变化。

虽然JMM是个隔离了硬件实现的虚拟机内的抽象模型，但它给出“缓存同步”问题示例。若数据在不同线程或CPU核里更新，因不同线程或CPU核有各自缓存，很可能在A线程的更新，B线程看不见。

4 CPU高速缓存的写入

可将Java内存模型和计算机组成里的CPU结构对照。

Intel CPU多核。每个CPU核里都有独属的L1、L2 Cache，再有多个CPU核共用的L3 Cache、主内存。

因为CPU Cache访问速度>>主内存，而CPU Cache里，L1/L2 Cache也比L3 Cache快。所以，CPU始终尽可能从CPU Cache获取数据，而非每次都从主内存读数据：

这层级结构就像在JMM里，每个线程都有属于自己的线程栈。线程读取COUNTER时，其实是从本地的线程栈的Cache副本读，而非从主内存读。若对数据仅只是读，问题还好。Cache Line组成及如何从内存里把对应数据加载到Cache。

但不光要读，还要去写入修改数据。问题就来了：写入Cache的性能也比写主内存快，那写数据，到底写到Cache还是主内存？若直接写主内存，Cache里的数据是否会失效？

先看两种

5 写入策略

5.1 写直达（Write-Through）

Volatile和高速缓存的关系
最简单的写策略，每次数据都写主内存。
写入前，先判断数据是否已在Cache：

  • 已在Cache
    先把数据写入更新到Cache，再写主内存
  • 数据不在Cache
    只更新主内存

实现简单，但性能很慢。无论数据是否在Cache，都要把数据写主内存。这有点像volatile关键字，始终都要把数据同步到主内存。

5.2 写回（Write-Back）

Volatile和高速缓存的关系
既然读数据也默认从Cache加载，能否不用把所有写入都同步到主内存？只写入CPU Cache是不是就够？可以！这就是写回（Write-Back)策略，不再是每次都把数据写主内存，而只写到CPU Cache。只有当CPU Cache里的数据要被“替换”，才把数据写主内存。

过程

若发现要写入的数据，就在CPU Cache，就只更新CPU Cache的数据。同时标记CPU Cache里的这个Block是脏（Dirty）的：指此时CPU Cache里的这个Block的数据，和主内存不一致。

如发现要写入的数据所对应的Cache Block里，放的是别的内存地址的数据，就要看那个Cache Block里的数据是否被标记成脏：

  • 如果是脏，先把这个Cache Block里面的数据，写入主内存。再把当前要写入的数据，写入Cache，同时把Cache Block标记成脏
  • 如果Block里面的数据没有被标记成脏的，直接把数据写入Cache，然后再把Cache Block标记成脏

用写回策略后，在加载内存数据到Cache时，也要多出一步同步脏Cache的动作。若加载内存数据到Cache时，发现Cache Block里有脏标记，也要先把Cache Block里的数据写回主内存，才能加载数据覆盖Cache。

该策略里，若大量操作都能命中缓存，则大部分时间里，无需读写主内存，性能比写直达效果好太多！

但无论是写回or写直达，都没解决volatile程序问题：多个线程或多个CPU核的缓存一致性问题。
这也就是在写入修改缓存后，需要解决的第二个问题。

要解决这个问题，需引入MESI协议，维护缓存一致性的协议。不仅可用在CPU Cache之间，也可广泛用于各种需要使用缓存，同时缓存之间需要同步的场景下。

总结

volatile程序可以看到，在有缓存的情况下会遇到一致性问题。volatile这个关键字可以保障我们对于数据的读写都会到达主内存。

Java内存模型和CPU、CPU Cache以及主内存的组织结构非常相似。在CPU Cache里，对于数据的写入，我们也有写直达和写回这两种解决方案。写直达把所有的数据都直接写入到主内存里面，简单直观，但是性能就会受限于内存的访问速度。而写回则通常只更新缓存，只有在需要把缓存里面的脏数据交换出去的时候，才把数据同步到主内存里。在缓存经常会命中的情况下，性能更好。

但是，除了采用读写都直接访问主内存的办法之外，如何解决缓存一致性问题？
下文分解。

参考

  • Fixing Java Memory Model
  • 《计算机组成与设计：硬件/软件接口》5.3.3
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