volatile关键字

aplayers

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前言昨天跟小万探讨了一下可见性到底是什么问题导致的，自己的理解还是有问题，吓得我赶紧回去复习了一下。
volatile作用1、保证线程间的可见性；
2、防止指令重排序。
可见性在OS中如何实现要从操作系统底层理解volatile的可见性如何实现，需要复习一下计算机组成原理的知识。
计算机组成原理如下图：
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• PC 程序计算器：用于存放指令
         
• Registers 寄存器：用于存放从内存中获取的数据
         
• ALU 算数计算器：用于计算
         
• cache：每个cpu都拥有自己的两个高速缓存区L1和L2,多个cpu共享L3缓存区和内存
  

多核CPU如下图所示，一个单cpu两核的服务器。由于在cpu中的速度比在内存中的速度快太多了，所以cpu内部是存在多级高速缓存的。LI和L2是每个核独有的高速缓存，L3多核共享。cpu首先会从Registers 寄存器获取数据，如果没取到，会从L1取，如果再取不到从L2取，以此类推，缓存中找不到，会直接从内存中取。
那么问题来了（超线程除外），假设有两个线程都获取了a=1的值，并放到了高速缓存中，线程1把a=1改为a=2并更新到了内存；此时线程1（核1）让出cpu，线程2（核2）进来，如果线程1的操作对于线程2是不可见的，那么线程2获取到a的值将仍然为1。所谓可见性，就是线程1把a的值改了，得通知线程2你要重新从内存中获取最新的值，不能从缓存中取了。在操作系统层面会使用MESI解决缓存层面的可见性问题，但是在jvm层面会使用volatile关键字解决可见性问题。
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MESI（Modify Exclusive Shared Invalid）当CPU1中的x被修改后该缓存行会被标记为Modify,然后通过总线通知持有该缓存行的cpu2你的缓存行已经Invalid了，需要从内存中重新读取，cpu1把modify后的数据写回内存 。
volatile的另外一个用法,如下:
public class Test{    public long t1,t2,t3,t4,t5,t6,t7;        public volatile long t = 0L;    public long t8,t9,t10,t11,t12,t13,t14;    }
为何要定义多个long类型的变量呢？
根据缓存一致性协议，当一个cache line 被修改了之后，会通知其它用到该cache line的线程需要更新了。存在一种情况，在同一个缓存行里面，有一个线程修改x，另外一个线程修改y，它们都在修改的时候，都需要到内存中取最新的数据，这就导致效率变低了。
那如何能提高效率呢？空间换时间。如上面代码，一个long类型占8个字节，t（相当于x和y）的前后都有七个long类型，加上t刚好64个字节，而一个cache line的字节数也是64个字节，这就保证了x和y不在同一个缓存行里面，它们的修改互不影响，从而提高了效率。
超线程常常会听说4核8线程不知道具体什么意思，学习之后发现，其实就是一个核可以同时装两个线程，一个ALU对应多组PC|Registers，在切换线程的时候，不需要再从其它地方取回原来线程的数据，只需要ALU挪到对应的PC|Registers组就可以了，线程切换的速度会快很多。
指令重排序当两行代码没有关联，如a=1,b=1，操作系统就有可能先执行b=1，再执行a=1。
案例：DCL需不需加volatile关键字？
DCL（double check lock）/** * @author kobe * @date 2021-02-05 19:30 */public class Test {    //需不需要加volatile关键字修饰.    private static Test INSTANCT = null;    private Test(){};    public static Test getInstance(){        //第一次        if (INSTANCT == null){            //第二次            synchronized (Test.class){                if (INSTANCT == null){                    INSTANCT = new Test();                }            }        }        return INSTANCT;    }}
分析这个问题需要了解对象的创建过程。
对象创建过程public class Test {    public static void main(String[] args) {        Object o = new Object();    }}
new Object（）在操作系统的汇编码中究竟做了什么？

       
• new 一块内存空间，并初始化变量值为0（半初始化）
         
• dup
         
• invokespecial <init> 变量赋值
         
• astore_1 关联对象
         
• return
  

上面的汇编码可以通过IDEA的一个插件获取：jclasslib
回到上面DCL的问题，当第一个线程做完了new的动作，此时invokespecial与astore_1的指令调换了顺序，此时第二个线程进来判断INSTANCT 是否为空，因为第一个线程在new的时候已经初始化了对象，所以不为空，此时第二个线程获取的对象将会是一个半初始化的对象。
或许有疑问，为什么是个半初始化的对象？
假设一个对象有变量a=1000，在汇编码中的第一步new动作只会初始化a的值等于0,当执行到invokespecial的时候才会把1000赋值给a，然后再关联对象，因为发生了指令重排序，导致初始化后直接关联了对象，所以就会成为一个半初始化的对象。
所以，DCL必须加volatile关键字。
OS如何防止指令重排序?OS使用了内存屏障的技术来防止指令重排序。
屏障两边的指令不可以重排！保障有序

       
• LoadLoad屏障
         
• StoreStore屏障
         
• LoadStore屏障
         
• StoreLoad屏障
  

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