揭示volatile背后的奥秘——CPU多级缓存与CPU指令重排

Volatile的做用

• 内存可见性
• 防止指令重排

Volatile是如何保证内存可见性的？

CPU多级缓存

CPU的运行速度很是快，而对磁盘的读写IO速度却很慢，为了解决这个问题，有了内存的诞生；

而CPU的速度与内存的读写速度之比仍然有着100 : 1的差距，为了解决这个问题，CPU又在内存与CPU之间创建了多级别缓存：寄存器、L一、L二、L3三级缓存。

CPU三级缓存.png

CPU缓存一个最小单位是64Byte：通过实践得出，缓存64Byte是一个较为合适的单位大小，不会由于缓存过大，而使得读取速度下降，也不会由于缓存过少，而屡次去读取数据。

当核心1与核心2在操做同一缓存行中的不一样元素时，即便是操做的不一样元素不会相互形成影响，可是，同一缓存行数据若被修改，则会经过缓存一致性协议来使其余CPU与核心中的缓存失效，从而从新去内存中读取数据，形成程序速度变慢。

• 奇技淫巧：在这种状况下，经过“补齐”一块64Byte大小的空间，来使得缓存不会由于一致性问题而重复更新。

• 实际应用场景：

  • disruptor并发框架
  • JDK8能够用注解 @Sun.misc.Contended实现两个对象或者变量绝对不在同一块缓存行内。

CPU为何会指令重排？

咱们的程序运行时，会被编译器转化成一条一条CPU可以执行的语句，例以下面的程序：

int a = 1;
int b = 1;

a = a + b;
a++;
复制代码

简单地观察便可发现，第4行与第5行的语句交换顺序执行并不会发生最终结果的不一致。

这为CPU指令重排提供了重排的可行性！

而根本缘由是：CPU运行速度与内存读取速度不匹配，第4行的语句会让CPU到内存中寻找b的值，从而使CPU空闲时间过多，而考虑到效率问题，CPU就在这一段读取内存的空闲时间内，先执行了下一条语句，提升程序运行效率。

不容许重排序状况：

• happen-before：六项规则

• as if serial：单线程执行结果不能被改变

• DCL(Double Check Lock)单例模式：防止对象未建立完成，就已经被另外一个线程返回了

• ……

volatile 内存屏障的hot spot实现：

lock cpu总线，使CPU缓存中的数据失效，使得其余CPU暂时中止工做达到防止指令重排序。