voliatile保证可见性的实现原理-北京尧图网络

一、问题根源CPU 缓存导致的可见性问题现代 CPU 为了性能有多级缓存架构关键问题每个核心有自己的 L1/L2 缓存。线程 A 在核心 0 修改了变量flag可能只存在于核心 0 的缓存中还没写回主内存此时线程 B 在核心 1 读取读到的可能是核心 1 缓存里的旧值。这就是可见性问题的物理根源。二、volatile的两层语义volatile在 JMMJava 内存模型中定义了两件事Table。语义含义可见性一个线程修改了volatile变量其他线程能立即看到最新值禁止指令重排序编译器和 CPU 不能将volatile变量周围的指令随意重排三、多线程修改共享数据的流程四、JVM层面的实现JVM 在编译 Java 代码时遇到volatile变量会在适当位置插入内存屏障指令。4.1 什么是内存屏障内存屏障是一类特殊的 CPU 指令作用是阻止屏障两侧的指令被重排序并强制刷新缓存。对volatile操作JVM 会插入四种屏障操作插入的屏障含义volatile写前面StoreStore屏障前面的普通写操作必须在 volatile 写之前完成volatile写后面StoreLoad屏障volatile 写必须在后面的读操作之前完成volatile读后面LoadLoad屏障volatile 读必须在后面的普通读之前完成volatile读后面LoadStore屏障volatile 读必须在后面的普通写之前完成最重要的一个是StoreLoad屏障它是实现可见性的关键。五、CPU层面的实现lock前缀指令JVM 的内存屏障最终要翻译成具体的 CPU 指令。在x86 架构最常见的服务器 CPU下volatile写操作最终会被编译为带lock前缀的汇编指令。5.1 典型汇编代码长什么样假设有这样的 Java 代码volatile int flag 0; void write() { flag 1; // volatile 写 }编译成 x86 汇编后大致长这样movl $0x1, flag # 把 1 写入 flag lock addl $0x0, (%rsp) # 这就是内存屏障的化身注意第二行lock addl $0x0, (%rsp)这是一个空操作加法加 0但它前面加了lock前缀。为什么用空操作因为x86 的StoreLoad屏障通常就是用lock前缀指令实现的。mfence指令也可以但早期 JVM 更常用lock addl。5.2lock前缀到底做了什么lock前缀不是真的锁住总线现代 CPU 已经优化了它的核心作用是① 触发缓存一致性协议MESI当 CPU 执行lock前缀指令时当前核心将修改后的缓存行Cache Line标记为Modified状态通过总线嗅探Bus Snooping广播通知其他核心我修改了某个地址的数据其他核心收到通知后将自己缓存中对应的缓存行标记为Invalid失效强制将当前修改写回主内存或至少确保其他核心能看到最新值主内存和cpu做交互是通过总线的总线嗅探机制让cpu监听总线。② 建立内存屏障lock指令本身具有全屏障效果确保lock指令之前的所有读写操作都已完成确保lock指令之后的读写操作都在它之后执行。5.3、【小结】Volatile 缓存可见性实现原理底层实现主要是通过汇编 lock 前缀指令它会锁定这块内存区域的缓存 (缓存行锁定) 并回写到主内存 IA-32 和 Intel 64 架构软件开发者手册对 lock 指令的解释1会将当前处理器缓存行的数据立即写回到系统内存。2这个写回内存的操作会引起在其他 CPU 里缓存了该内存地址的数据无效 (MESI 协议)3提供内存屏障功能使 lock 前后指令不能重排序六、MESI 缓存一致性协议核心中的核心这是现代 CPU 保证多核缓存一致性的协议四个状态状态缩写含义ModifiedM数据已修改仅当前核心有与主内存不一致ExclusiveE数据独占仅当前核心有与主内存一致SharedS数据共享多个核心都有与主内存一致InvalidI数据失效不能再使用必须重新加载七、一个volatile写的完整流程核心 0线程 A 执行 volatile 写核心 1线程 B 执行 volatile 读 │ │ ▼ ▼ flag 1 读取 flag │ │ ▼ ▼ 缓存行状态变为 M 缓存行状态为 I已失效 │ │ ▼ ▼ lock 指令广播 Invalidate 信号 ────────────────▶ 收到信号标记为 I │ │ ▼ ▼ 写回主内存 ◄───────────────────────────────── 从主内存重新读取所以线程 B 下次读取flag时发现自己的缓存行是Invalid被迫从主内存或核心 0 的缓存重新加载因此一定能看到线程 A 修改后的最新值这就是volatile 可见性的物理本质。八、一句话总结volatile的可见性 JVM 内存屏障 CPUlock前缀指令 MESI 缓存一致性协议。本质上就是修改后强制刷新缓存并通知其他核心失效让其他线程下次读取时不得不从主内存重新加载。volatile保证可见性核心是靠CPU 的缓存一致性协议和lock前缀指令。首先线程修改变量其实先改的是自己的CPU 缓存不是直接写主内存。所以别的线程可能看不到。加了volatile之后JVM 会在写操作后面加一个内存屏障翻译成汇编就是一条带lock前缀的指令。这个lock指令有两个作用触发 CPU 的MESI 缓存一致性协议一是强制把当前缓存行的修改刷回主内存二是通知其他 CPU 核心你们缓存里这个值作废了。其他线程再来读的时候发现自己缓存失效了就会去主内存重新加载自然就读到最新值了。另外volatile还能禁止指令重排序保证代码不会被编译器乱优化。

voliatile保证可见性的实现原理

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