转载:http://www.importnew.com/17394.html

一.volatile简介:

在多线程并发编程中synchronized和Volatile都扮演着重要的角色,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”。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。它在某些情况下比synchronized的开销更小,本文将深入分析在硬件层面上Inter处理器是如何实现Volatile的,通过深入分析能帮助我们正确的使用Volatile变量。

二.术语定义:

术语 英文单词 描述
共享变量   在多个线程之间能够被共享的变量被称为共享变量。共享变量包括所有的实例变量,静态变量和数组元素。他们都被存放在堆内存中,Volatile只作用于共享变量。
内存屏障 Memory Barriers 是一组处理器指令,用于实现对内存操作的顺序限制。
缓冲行 Cache line 缓存中可以分配的最小存储单位。处理器填写缓存线时会加载整个缓存线,需要使用多个主内存读周期。
原子操作 Atomic operations 不可中断的一个或一系列操作。
缓存行填充 cache line fill 当处理器识别到从内存中读取操作数是可缓存的,处理器读取整个缓存行到适当的缓存(L1,L2,L3的或所有)
缓存命中 cache hit 如果进行高速缓存行填充操作的内存位置仍然是下次处理器访问的地址时,处理器从缓存中读取操作数,而不是从内存。
写命中 write hit 当处理器将操作数写回到一个内存缓存的区域时,它首先会检查这个缓存的内存地址是否在缓存行中,如果存在一个有效的缓存行,则处理器将这个操作数写回到缓存,而不是写回到内存,这个操作被称为写命中。
写缺失 write misses the cache 一个有效的缓存行被写入到不存在的内存区域。

三.volatile实现原路:

1.保证可见性:在x86处理器下通过工具获取JIT编译器生成的汇编指令来看看对Volatile进行写操作CPU会做什么事情。

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);

有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,通过查IA-32架构软件开发者手册可知,lock前缀的指令在多核处理器下会引发了两件事情。

  • 将当前处理器缓存行的数据会写回到系统内存。
  • 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。

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(L1,L2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,为了保证各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,当处理器发现自己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成无效状态,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里把数据读到处理器缓存里。

Lock前缀指令会引起处理器缓存回写到内存。Lock前缀指令导致在执行指令期间,声言处理器的 LOCK# 信号。在多处理器环境中,LOCK# 信号确保在声言该信号期间,处理器可以独占使用任何共享内存。(因为它会锁住总线,导致其他CPU不能访问总线,不能访问总线就意味着不能访问系统内存),但是在最近的处理器里,LOCK#信号一般不锁总线,而是锁缓存,毕竟锁总线开销比较大。在8.1.4章节有详细说明锁定操作对处理器缓存的影响,对于Intel486和Pentium处理器,在锁操作时,总是在总线上声言LOCK#信号。但在P6和最近的处理器中,如果访问的内存区域已经缓存在处理器内部,则不会声言LOCK#信号。相反地,它会锁定这块内存区域的缓存并回写到内存,并使用缓存一致性机制来确保修改的原子性,此操作被称为“缓存锁定”,缓存一致性机制会阻止同时修改被两个以上处理器缓存的内存区域数据

一个处理器的缓存回写到内存会导致其他处理器的缓存无效。IA-32处理器和Intel 64处理器使用MESI(修改,独占,共享,无效)控制协议去维护内部缓存和其他处理器缓存的一致性。在多核处理器系统中进行操作的时候,IA-32 和Intel 64处理器能嗅探其他处理器访问系统内存和它们的内部缓存。它们使用嗅探技术保证它的内部缓存,系统内存和其他处理器的缓存的数据在总线上保持一致。例如在Pentium和P6 family处理器中,如果通过嗅探一个处理器来检测其他处理器打算写内存地址,而这个地址当前处理共享状态,那么正在嗅探的处理器将无效它的缓存行,在下次访问相同内存地址时,强制执行缓存行填充。

四,volatile使用优化

著名的Java并发编程大师Doug lea在JDK7的并发包里新增一个队列集合类LinkedTransferQueue,他在使用Volatile变量时,用一种追加字节的方式来优化队列出队和入队的性能。

追加字节能优化性能?这种方式看起来很神奇,但如果深入理解处理器架构就能理解其中的奥秘。让我们先来看看LinkedTransferQueue这个类,它使用一个内部类类型来定义队列的头队列(Head)和尾节点(tail),而这个内部类PaddedAtomicReference相对于父类AtomicReference只做了一件事情,就将共享变量追加到64字节。我们可以来计算下,一个对象的引用占4个字节,它追加了15个变量共占60个字节,再加上父类的Value变量,一共64个字节。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
/** head of the queue */
private transient final PaddedAtomicReference<QNode> head;
 
/** tail of the queue */
private transient final PaddedAtomicReference<QNode> tail;
 
static final class PaddedAtomicReference <T> extends AtomicReference <T> {
 
  // enough padding for 64bytes with 4byte refs
  Object p0, p1, p2, p3, p4, p5, p6, p7, p8, p9, pa, pb, pc, pd, pe;
 
  PaddedAtomicReference(T r) {
 
    super(r);
 
  }
 
}
 
public class AtomicReference <V> implements java.io.Serializable {
 
  private volatile V value;
 
  //省略其他代码
 

为什么追加64字节能够提高并发编程的效率呢? 因为对于英特尔酷睿i7,酷睿, Atom和NetBurst, Core Solo和Pentium M处理器的L1,L2或L3缓存的高速缓存行是64个字节宽,不支持部分填充缓存行,这意味着如果队列的头节点和尾节点都不足64字节的话,处理器会将它们都读到同一个高速缓存行中,在多处理器下每个处理器都会缓存同样的头尾节点,当一个处理器试图修改头接点时会将整个缓存行锁定,那么在缓存一致性机制的作用下,会导致其他处理器不能访问自己高速缓存中的尾节点,而队列的入队和出队操作是需要不停修改头接点和尾节点,所以在多处理器的情况下将会严重影响到队列的入队和出队效率。Doug lea使用追加到64字节的方式来填满高速缓冲区的缓存行,避免头接点和尾节点加载到同一个缓存行,使得头尾节点在修改时不会互相锁定。

那么是不是在使用Volatile变量时都应该追加到64字节呢?不是的。在两种场景下不应该使用这种方式。第一:缓存行非64字节宽的处理器,如P6系列和奔腾处理器,它们的L1和L2高速缓存行是32个字节宽。第二:共享变量不会被频繁的写。因为使用追加字节的方式需要处理器读取更多的字节到高速缓冲区,这本身就会带来一定的性能消耗,共享变量如果不被频繁写的话,锁的几率也非常小,就没必要通过追加字节的方式来避免相互锁定。

volatile解析的更多相关文章

  1. volatile解析(转)

    Java并发编程:volatile关键字解析 volatile这个关键字可能很多朋友都听说过,或许也都用过.在Java 5之前,它是一个备受争议的关键字,因为在程序中使用它往往会导致出人意料的结果.在 ...

  2. JAVA volatile 解析

    volatile这个关键字可能很多朋友都听说过,或许也都用过.在Java 5之前,它是一个备受争议的关键字,因为在程序中使用它往往会导致出人意料的结果.在Java 5之后,volatile关键字才得以 ...

  3. Java并发—— 关键字volatile解析

    简述 关键字volatile可以说是Java虚拟机提供的最轻量级的同步机制,当一个变量定义为volatile,它具有内存可见性以及禁止指令重排序两大特性,为了更好地了解volatile关键字,我们可以 ...

  4. 死磕 java同步系列之volatile解析

    问题 (1)volatile是如何保证可见性的? (2)volatile是如何禁止重排序的? (3)volatile的实现原理? (4)volatile的缺陷? 简介 volatile可以说是Java ...

  5. java多线程synchronized volatile解析

    先简单说说原子性:具有原子性的操作被称为原子操作.原子操作在操作完毕之前不会线程调度器中断.即一个操作或者多个操作 要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断,要么就都不执行.在Java中,对除了l ...

  6. 死磕 java同步系列之CyclicBarrier源码解析——有图有真相

    问题 (1)CyclicBarrier是什么? (2)CyclicBarrier具有什么特性? (3)CyclicBarrier与CountDownLatch的对比? 简介 CyclicBarrier ...

  7. 死磕 java同步系列之Phaser源码解析

    问题 (1)Phaser是什么? (2)Phaser具有哪些特性? (3)Phaser相对于CyclicBarrier和CountDownLatch的优势? 简介 Phaser,翻译为阶段,它适用于这 ...

  8. 死磕 java同步系列之StampedLock源码解析

    问题 (1)StampedLock是什么? (2)StampedLock具有什么特性? (3)StampedLock是否支持可重入? (4)StampedLock与ReentrantReadWrite ...

  9. 死磕 java同步系列之Semaphore源码解析

    问题 (1)Semaphore是什么? (2)Semaphore具有哪些特性? (3)Semaphore通常使用在什么场景中? (4)Semaphore的许可次数是否可以动态增减? (5)Semaph ...

随机推荐

  1. 区间DP(总结)

    学长一晚上的耐心讲解,使我明白区间DP这么高级的东西,还是挺容易的.也就是在一段区间内的动态规划. 下面用例题进行总结. 例题:石子归并. 描述 有N堆石子排成一排,每堆石子有一定的数量.现要将N堆石 ...

  2. 51Nod:活动安排问题之二(贪心)

    有若干个活动,第i个开始时间和结束时间是[Si,fi),同一个教室安排的活动之间不能交叠,求要安排所有活动,最少需要几个室? 输入 第一行一个正整数n (n <= 10000)代表活动的个数. ...

  3. python 二维list取列

    b = [i[0] for i in a] # 从a中的每一行取第一个元素.

  4. 使用 mysqldump 备份时的一些参数

    因为还没有用到 ThinkPHP 的迁移组件,暂时使用 mysqldump 来备份,并版本控制. 有几个参数需要用到. --skip-dump-date 不要完成时间. --skip-extended ...

  5. 【转】每天一个linux命令(42):kill命令

    原文网址:http://www.cnblogs.com/peida/archive/2012/12/20/2825837.html Linux中的kill命令用来终止指定的进程(terminate a ...

  6. let、var、const区别(表格比较)

    let.var.const区别(表格比较): 区别项 let var const 作用域 块级作用域 全局作用域或函数作用域 块级作用域 是否有变量提升 无 有 无 是否可重复声明 不可 可以 不可 ...

  7. http报头 Accept 与 Content-Type 的区别

    Accept属于请求头, Content-Type属于实体头. Http报头分为通用报头,请求报头,响应报头和实体报头. 请求方的http报头结构:通用报头|请求报头|实体报头 响应方的http报头结 ...

  8. Angular 4 管道

    一.date管道 1.html 2. 控制器中的定义brithday 3.效果图 如果时间格式 为: 我的生日是{{birthday | date:'yyyy-MM-dd HH:mm:ss'}} 则效 ...

  9. grep和egrep正则表达式

    Linux上文本处理三剑客 grep :文本过滤( 模式:pattern) 工具 grep, egrep, fgrep (不支持正则表达式搜索,但搜索纯文本的数据最快) sed :stream edi ...

  10. 【python】常用的一些内置函数

    1.cmp cmp(A,B)函数,比较A,B的大小,如果A大于B,返回1,A小于B返回-1,A等于B返回0 print cmp(12,33) >>>-1 print cmp(&quo ...