Volatile底层原理剖析Dream12306的博客-

术语	释义
共享变量	可以被多个线程同时访问的变量
内存屏障	一组处理器指令，用于对内存操作的(指令)顺序限制
缓冲行	缓存中可以分配的最小存储单位

缓存一致性协议也称MESI协议：

• 独占（exclusive）：仅当前处理器拥有该缓存行，并且没有修改过；
• 共享（share）：有多个处理器拥有该缓存行，每个处理器都没有修改过缓存；
• 修改（modified）：仅当前处理器拥有该缓存行，并且缓存行被修改过了；
• 失效（invalid）：缓存行被其他处理器修改过；

它们之间的关系如下：

• 一个处于M状态的缓存行，必须时刻监听所有试图读取该缓存行对应的主存地址的操作，如果监听到，则必须在此操作执行前把其缓存行中的数据写回CPU；
• 一个处于S状态的缓存行，必须时刻监听使该缓存行无效或者独享该缓存行的请求，如果监听到，则必须把其缓存行状态设置为I；
• 一个处于E状态的缓存行，必须时刻监听其他试图读取该缓存行对应的主存地址的操作，如果监听到，则必须把其缓存行状态设置为S
• 当CPU需要读取数据时，如果其缓存行的状态是I的，则需要从内存中读取，并把自己状态变成S，如果不是I，则可以直接读取缓存中的值，但在此之前，必须要等待其他CPU的监听结果，如其他CPU也有该数据的缓存且状态是M，则需要等待其把缓存更新到内存之后，再读取；
• 当CPU需要写数据时，只有在其缓存行是M或者E的时候才能执行，否则需要发出特殊的RFO指令(Read Or Ownership，这是一种总线事务)，通知其他CPU置缓存无效(I)，这种情况下会性能开销是相对较大的。在写入完成后，修改其缓存状态为M。

Volatile的实现原理

• 禁止指令重排
  处理器的内存屏障分为两种：Load Barrier 和 Store Barrier即读屏障和写屏障。
  • 阻止屏障两侧的指令重排序；
  • 强制把写缓冲区/高速缓存中的脏数据等写回主内存，让缓存中相应的数据失效。

JVM的内存屏障其实也是对计算机内存屏障的封装，其兼容了不容平台的差异，通过调用硬件的内存屏障指令来实现禁止指令重排。

1. 在每个volatile写操作的前面插入一个StoreStore屏障。
2. 在每个volatile写操作的后面插入一个StoreLoad屏障。
3. 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadLoad屏障。
4. 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadStore屏障。

• 内存可见性
  JMM内存模型与上面说的类似，对于共享变量每个线程都会对其生成变量副本，在后续的读写操作中都是操作其副本，等待对变量操作完毕后，再把变量副本写入到主内存中(不是实时写入主内存)，如果遇到多个线程同时读写共享变量的时候，由于他们都是操作的副本，所以各个线程之间是互不知晓的，那么怎么让其中一个线程修改变量的时候，另外一个线程立马就知道呢？通过对volatile修饰的共享变量相关代码进行编译生成的汇编指令发现，volatile写操作对应的指令是一个lock前缀指令，而lock前缀指令会在多核CPU同时运行的情况下引发两件事：
  1. CPU高速缓冲区中对应该变量的缓存行数据立马回写到主内存。在老版本的多核处理器中，lock前缀指令会在执行lock指令的时候声言LOCK#信号，该信号确保在执行此指令期间，此处理器可以独享任何内存，因为它会锁住总线，导致其他CPU不能访问总线进而不能访问系统内存；由于锁总线实在是性能消耗太大，所以在近代处理器中会锁定此共享变量的内存缓冲区(由缓存行组成)，而其他CPU则无法访问对应缓冲区中锁定的那部分数据，进而实现锁定的那部分数据同一时间只有一个CPU可以操作；使用缓存一致性协议(MESI)来保证原子性，缓存一致性机制不允许同时修改被多个CPU缓存了的内存区域。
  2. 触发其他CPU缓冲区中对应的缓冲行失效。使用嗅探技术，探测其他CPU的缓存以及主内存，如果探测到共享变量有改变或者预计有写入操作，处理器将会把对应的缓存行置为无效。
  3. 据查资料，任何的lock前缀指令都有内存屏障的作用。

JMM内存模型验证

 private static boolean exit = false; public static void main(String[] args) throws InterruptedException { new Thread(()->{ while(!exit) { //    try { //     System.out.println("continue..."); //     Thread.currentThread().sleep(1000); //    } catch (InterruptedException e) {} }    System.out.println("over..."); }).start();      Thread.currentThread().sleep(2000);   exit = true; } 

执行上面这段程序，你会发现程序会一直运行，但是将exit变量声明为volatile的时候，2s就停止了。
但是你把try代码块注释打开的话，那么你会发现虽然exit变量不是volatile的，但是程序也会在2停止，为什么呢？猜测原因有二：

1. 线程sleep后，重新获得CPU执行权限，待执行时会重新加载线程所需变量从主内存到高速缓存区，进而获取到变量最新的值。
2. System.out.println是sync操作导致的，因为sync需要获取锁，获取锁以后才具备CPU处理资格，待执行时高速缓冲区重新加载线程运行所需变量，从而获取到变量最新的值。

有不对的地方，欢迎大家指正！

Dream梦犹在

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