volatile学习

代码编译成字节码被类加载器加载到jvm当中，jvm执行这个字节码转成汇编指令在cpu上执行， volatile修饰的共享变量在进行写操作的这个代码转化成汇编时会多出一个Lock指令前缀， 这个指令在多核处理器下会引发两件事

1）将当前处理器缓存行的数据写回到系统内存。
2）这个写回内存的操作会使在其他CPU里缓存了该内存地址的数据无效.

先说一下带有高速缓存的CPU执行计算的流程

1. 程序以及数据被加载到主内存

2. 指令和数据被加载到CPU的高速缓存（L1、L2）

3. CPU执行指令，把结果写到高速缓存(L1、L2）

4. 高速缓存中的数据写回主内存  

缓存一致性协议

MESI是一种主流的缓存一致性协议，它定义了缓存块的几种状态

• MESI协议中的状态

  CPU中每个缓存行（caceh line)使用4种状态进行标记（使用额外的两位(bit)表示):

  M: 被修改（Modified)

  该缓存行只被缓存在该CPU的缓存中，并且是被修改过的（dirty),即与主存中的数据不一致，该缓存行中的内存需要在未来的某个时间点（允许其它CPU读取请主存中相应内存之前）写回（write back）主存。当被写回主存之后，该缓存行的状态会变成独享（exclusive)状态。

  E: 独享的（Exclusive)

  该缓存行只被缓存在该CPU的缓存中，它是未被修改过的（clean)，与主存中数据一致。该状态可以在任何时刻当有其它CPU读取该内存时变成共享状态（shared)。同样地，当CPU修改该缓存行中内容时，该状态可以变成Modified状态。

  S: 共享的（Shared)

  该状态意味着该缓存行可能被多个CPU缓存，并且各个缓存中的数据与主存数据一致（clean)，当有一个CPU修改该缓存行中，其它CPU中该缓存行可以被作废（变成无效状态（Invalid））。

  I: 无效的（Invalid）

  该缓存是无效的（可能有其它CPU修改了该缓存行）。

为了提高处理速度， 处理器不直接和内存通信而是把系统内存读到内部CPU缓存(L1、L2）后再进行操作， 但是操作完后将变量更新回写到内存的时间是未知的，如果声明了volatile这个回写操作就会立即执行，  这时其他处理器缓存的值仍然是旧的， 再执行操作还是有问题， 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里。

LinkedTransferQueue追加字节提高并发编程效率：对于一些处理器来说，L1、L2、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节点时，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则需要不停修改头节点和尾节点，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，避免头节点和尾节点加载到同一个缓存行，使头、尾节点在修改时不会互相锁定。

 

另外volatile还会禁止指令重排序。

现代的CPU一般采用流水线来执行指令，指令的执行分为取指、译码、访存、执行、写回等阶段，多条指令可以同时存在于流水线当中，重排序的目的是为了性能， 就是说指令1还没执行完成时，指令2会利用空闲的硬件开始执行，但是他会遵循as if serial语义， 对存在数据依赖的代码则不会执行重排序。

JVM对Volatile的处理：

在每个 volatile 写操作的前面插入一个 StoreStore 屏障
在每个 volatile 写操作的后面插入一个 StoreLoad 屏障
在每个 volatile 读操作的后面插入一个 LoadLoad 屏障
在每个 volatile 读操作的后面插入一个 LoadStore 屏障
第一个操作(load/store)代表 volatile的操作，  第二个代表volatile代码下面的操作(store load),屏障就是禁止下面的xxx操作和volatile的xxx操作进行重排序。