高并发编程-通过volatile重新认识CPU缓存 和 Java内存模型(JMM)

网友投稿 614 2022-05-29

文章目录

概述

volatile定义

CPU缓存

相关CPU术语

CPU缓存一致性协议MESI

带有高速缓存的CPU执行计算的流程

CPU 多级的缓存结构

Java 内存模型 (JMM)

线程通信的两种方式

哪些变量可以共享

JMM概述

Java内存模型的抽象结构示意图

volatile 小demo

总结:volatile的两条实现原则

概述

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,它在高并发中保证了共享变量的“可见性”。

那什么是可见性呢?

可见性 我们可以理解为:当一个线修改一个共享变量时,另外一个线程能读到这个修改的值。

如果volatile变量修饰符使用恰的话,它比synchronized的使用和执行成本更低,因为

volatile不会引起线程上下文的切换和调度

volatile定义

Java规范第3版中对volatile的定义如下:

Java允许线程访问共享变量,为了确保共享变量能被准确和一致地更新,线程应该确保通过排他锁单独获得这个变量。

Java提供了volatile关键字,在某些场景下volatile比锁synchronized要更加方便。

如果一个字段被声明成volatile,Java线程内存模型(JMM)确保所有线程看到这个变量的值是一致的 .

CPU缓存

相关CPU术语

了解volatile实现原理之前,先了解下与其实现原理相关的CPU术语

CPU缓存一致性协议MESI

CPU缓存一致性协议MESI 请参考: CPU缓存一致性协议MESI

【M 修改 (Modified) E 独享、互斥 (Exclusive) S 共享 (Shared) I 无效 (Invalid) 】

CPU的发展速度非常快,而内存和硬盘的发展速度远远不及CPU。这就造成了高性能能的内存和硬盘价格及其昂贵。然而CPU的高度运算需要高速的数据。为了解决这个问题,CPU厂商在CPU中内置了少量的高速缓存以解决I\O速度和CPU运算速度之间的不匹配问题

为了提高效率,CPU不直接和内存进行通信,而是先将系统内存的数据读取到内部缓存(L1、L2或其他)后再进行操作。

但是有个问题: 当操作完成后,被修改的数据何时回写到主内存呢?

假设某个共享变量声明了volatile关键字进行写操作 ,JVM就会向处理器发送一条Lock前缀指令,将这个变量所在缓存行的数据写回到系统内存。

OK,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,就要实现缓存一致性协议 ,每个处理器通过嗅探在总线(BUS)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,

当处理器对这个数据进行修改操作的时候,会重新从系统内存中把数据读到处理器缓存

带有高速缓存的CPU执行计算的流程

程序以及数据被加载到主内存

指令和数据被加载到CPU的高速缓存

CPU执行指令,把结果写到高速缓存

高速缓存中的数据写回主内存

CPU 多级的缓存结构

由于CPU的运算速度超越了1级缓存的数据I\O能力,CPU厂商又引入了多级的缓存结构。

L1/L2/L3 Cache速度差别

L1 cache: 3 cycles

L2 cache: 11 cycles

L3 cache: 25 cycles

Main Memory: 100 cycles

通常L1 Cache离CPU核心需要数据的地方更近,而L2 Cache则处于边缓位置,访问数据时,L2 Cache需要通过更远的铜线,甚至更多的电路,从而增加了延时。

参见: 细说Cache-L1/L2/L3/TLB

Java 内存模型 (JMM)

线程通信的两种方式

我们知道 线程间的通信,主要分为两种方式

共享内存 (线程之间共享程序的公共状态,通过写-读内存中的公共状态进行隐式通信)

消息传递 (线程之间必须通过发送消息来显式进行通信)

哪些变量可以共享

Java的并发采用的是共享内存模型 , 在Java中,所有实例域、静态域和数组元素都存储在堆内存中,堆内存在线程之间共享 ,我们使用”共享变量”这个术语代指实例域,静态域和数组元素

局部变量,方法定义参数和异常处理器参数不会在线程之间共享,它们不会有内存可见性问题,也不受内存模型的影响。

JMM概述

Java线程之间的通信由Java内存模型JMM)控制,JMM决定一个线程对共享变量的写入何时对另一个线程可见 .

JMM定义了线程和主内存之间抽象关系:线程之间的共享变量存储在主内存(Main Memory)中,每个线程都有一个私有的本地内存(Local Memory),本地内存中存储了该线程以读/写共享变量的副本。

注: 本地内存是JMM的一个抽象概念,并不真实存在。它涵盖了缓存、写缓冲区、寄存器以及其他的硬件和编译器化

Java内存模型的抽象结构示意图

如下:

根据上述的描述,如果线程A和线程B要通信的话,步骤如下

线程A把本地内存A中更新过的共享变量刷新到主内存中去

线程B到主内存中去读取线程A之前已更新过的共享变

线程A和线程B通信示意图如下所示

本地内存A和本地内存B由主内存中共享变量x的副本。

假设初始时,这3个内存(本地内存A、本地内存B、主内存)中的x值都为0。

线程A在执行时,把更新后的x值(假设值为1)临时存放在自己的本地内A中。

当线程A和线程B需要通信时,线程A首先会把自己本地内存中修改后的x值刷新到主内存中,此时主内存中的x值变为了1。

随后,线程B到主内存中去读取线程A更新后的x值,此时线程B的本地内存的x值也变为了1。

从整体来看,这两个步骤实质上是线程A在向线程B发送消息,而且这个

通信过程必须要经过主内存。

JMM通过控制主内存与每个线程的本地内存之间的交互,来保证内存可见性保证。

volatile 小demo

先来个例子 感受下volatile的作用

俩线程 1个读取共享变量 另外1个更新共享变量.

package com.artisan.test; /** * 俩线程 *

* 1个读取共享变量 * 1个更新共享变量 */ public class VolatileDemo { // 共享变量 private volatile static int SHARED_VALUE = 0; private final static int MAX_VALUE = 10; public static void main(String[] args) { // 定义 读取线程 new Thread(() -> { int localValue = SHARED_VALUE; // 循环, 如果localValue != SHARED_VALUE 输出信息 while (SHARED_VALUE < MAX_VALUE){ if (localValue != SHARED_VALUE){ System.out.printf(Thread.currentThread().getName() + ": the SHARED_VALUE value has been updated to [%d] \n" , SHARED_VALUE); localValue = SHARED_VALUE; } } }, "Reader Thread").start(); // 定义 更新线程 new Thread(() -> { int localValue = SHARED_VALUE; // 循环 如果小于最大值,则更新localValue while (SHARED_VALUE < MAX_VALUE){ System.out.printf(Thread.currentThread().getName() + ": update SHARED_VALUE to [%d] \n" , ++localValue); SHARED_VALUE = localValue; try { // 为了演示效果,休眠一下 Thread.sleep(500); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } }, "Update Thread").start(); } }

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輸出:

Update Thread: update SHARED_VALUE to [1] Reader Thread: the SHARED_VALUE value has been updated to [1] Update Thread: update SHARED_VALUE to [2] Reader Thread: the SHARED_VALUE value has been updated to [2] Update Thread: update SHARED_VALUE to [3] Reader Thread: the SHARED_VALUE value has been updated to [3] Update Thread: update SHARED_VALUE to [4] Reader Thread: the SHARED_VALUE value has been updated to [4] Update Thread: update SHARED_VALUE to [5] Reader Thread: the SHARED_VALUE value has been updated to [5] Update Thread: update SHARED_VALUE to [6] Reader Thread: the SHARED_VALUE value has been updated to [6] Update Thread: update SHARED_VALUE to [7] Reader Thread: the SHARED_VALUE value has been updated to [7] Update Thread: update SHARED_VALUE to [8] Reader Thread: the SHARED_VALUE value has been updated to [8] Update Thread: update SHARED_VALUE to [9] Reader Thread: the SHARED_VALUE value has been updated to [9] Update Thread: update SHARED_VALUE to [10] Process finished with exit code 0

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高并发编程-通过volatile重新认识CPU缓存 和 Java内存模型(JMM)

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如果 去掉volatile关键字呢 ? 测试如下

由此可见 volatile关键字在高并发中保证了共享变量的“可见性”。

总结:volatile的两条实现原则

总结一下

Lock前缀指令会引起处理器缓存回写到内存

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

Java 任务调度

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