Java核心复习—— volatile 与可见性

一、介绍

volatile保证共享变量的“可见性”。可见性指的是当一个线程修改变量时，另一个线程能读到这个修改的值。

这里就要提出几个问题。

• 问题1：为什么一个线程修改时，另一个线程可能会“看不见”？
• 问题2：这种可见性是如何实现的？

二、问题1 变量为何“不可见”

回答：是由于缓存导致的可见性问题

2.1 为什么要引入缓存？

是为了解决性能问题。CPU的处理速度远远快于内存的读取速度（CPU与内存之间的瓶颈也叫“冯诺依曼瓶颈”），所以处理器不直接和内存通信，而是设置内部缓存（L1、L2...），内存的数据会读取到内部缓存中，CPU直接从内部缓存中读取数据处理。

2.2 L1、L2、L3有何区别？

L1、L2、L3是CPU三级缓存,CPU缓存的定义为CPU与内存之间的临时数据交换器，它的出现是为了解决CPU运行处理速度与内存读写速度不匹配的矛盾。

读取速度 L1 > L2 > L3

容量大小 L1 < L2 < L3

L1又分为一级数据缓存、一级指令缓存，分别用于存放数据、执行数据的指令解码。

2.3 只管高速缓存中的变量，不管内存中的变量行不行？

多个处理器修改变量写到高速缓存，高速缓存中存储的变量值是最新，下次不管内存中的变量值，直接从高速缓存中获取不就行了？

回答：当然不行。

为什么？因为每个处理器都有自己的高速缓存，一个变量在A处理器的高速缓存中修改，B处理器可能感知不到。

三、问题2 变量如何变为“可见”

为了保证在多处理器下，缓存一致，就设置一个缓存一致的协议。每个处理器通过嗅探在总线传播的数据来检查自己缓存的值是否是过期的。

当处理器发现自己的缓存行对内的内存地址被修改，就会将当前处理器的缓存行设置成无效状态，当需要对数据进行修改时，重新从内存中读到高速缓存中。

3.1 具体是如何实现？

当变量被volatile修饰，编译成汇编时，会增加一个Lock前缀指令。

Lock前缀指令的作用：

• Lock前缀指令，会让处理器缓存回写到内存
• 一个处理器缓存回写到内存，导致其他处理器的缓存无效

参考文档

[1]: 《Java并发编程的艺术》
[2]: Java并发编程-volatile
[3]: CPU与内存的那些事
[4]: 超能课堂(133)：为什么CPU缓存会分为L1、L2、L3？