Java中volatile关键字实现原理

前言

我们知道volatile关键字的作用是保证变量在多线程之间的可见性，它是java.util.concurrent包的核心，没有volatile就没有这么多的并发类给我们使用。

本文详细解读一下volatile关键字如何保证变量在多线程之间的可见性，在此之前，有必要讲解一下CPU缓存的相关知识，掌握这部分知识一定会让我们更好地理解volatile的原理，从而更好、更正确地地使用volatile关键字。

CPU缓存

CPU缓存的出现主要是为了解决CPU运算速度与内存读写速度不匹配的矛盾，因为CPU运算速度要比内存读写速度快得多，举个例子：

• 一次主内存的访问通常在几十到几百个时钟周期
• 一次L1高速缓存的读写只需要1~2个时钟周期
• 一次L2高速缓存的读写也只需要数十个时钟周期

这种访问速度的显著差异，导致CPU可能会花费很长时间等待数据到来或把数据写入内存。

基于此，现在CPU大多数情况下读写都不会直接访问内存（CPU都没有连接到内存的管脚），取而代之的是CPU缓存，CPU缓存是位于CPU与内存之间的临时存储器，它的容量比内存小得多但是交换速度却比内存快得多。而缓存中的数据是内存中的一小部分数据，但这一小部分是短时间内CPU即将访问的，当CPU调用大量数据时，就可先从缓存中读取，从而加快读取速度。

按照读取顺序与CPU结合的紧密程度，CPU缓存可分为：

• 一级缓存：简称L1 Cache，位于CPU内核的旁边，是与CPU结合最为紧密的CPU缓存
• 二级缓存：简称L2 Cache，分内部和外部两种芯片，内部芯片二级缓存运行速度与主频相同，外部芯片二级缓存运行速度则只有主频的一半
• 三级缓存：简称L3 Cache，部分高端CPU才有

每一级缓存中所存储的数据全部都是下一级缓存中的一部分，这三种缓存的技术难度和制造成本是相对递减的，所以其容量也相对递增。

当CPU要读取一个数据时，首先从一级缓存中查找，如果没有再从二级缓存中查找，如果还是没有再从三级缓存中或内存中查找。一般来说每级缓存的命中率大概都有80%左右，也就是说全部数据量的80%都可以在一级缓存中找到，只剩下20%的总数据量才需要从二级缓存、三级缓存或内存中读取。

使用CPU缓存带来的问题

用一张图表示一下CPU-->CPU缓存-->主内存数据读取之间的关系：

当系统运行时，CPU执行计算的过程如下：

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缓存
3. CPU执行指令，把结果写到高速缓存
4. 高速缓存中的数据写回主内存

如果服务器是单核CPU，那么这些步骤不会有任何的问题，但是如果服务器是多核CPU，那么问题来了，以Intel Core i7处理器的高速缓存概念模型为例（图片摘自《深入理解计算机系统》）：

试想下面一种情况：

1. 核0读取了一个字节，根据局部性原理，它相邻的字节同样被被读入核0的缓存
2. 核3做了上面同样的工作，这样核0与核3的缓存拥有同样的数据
3. 核0修改了那个字节，被修改后，那个字节被写回核0的缓存，但是该信息并没有写回主存
4. 核3访问该字节，由于核0并未将数据写回主存，数据不同步

为了解决这个问题，CPU制造商制定了一个规则：当一个CPU修改缓存中的字节时，服务器中其他CPU会被通知，它们的缓存将视为无效。于是，在上面的情况下，核3发现自己的缓存中数据已无效，核0将立即把自己的数据写回主存，然后核3重新读取该数据。

可以看出，缓存在多核CPU的使用情况下会有一些性能的缺失。

反汇编Java字节码，查看汇编层面对volatile关键字做了什么

有了上面的理论基础，我们可以研究volatile关键字到底是如何实现的。首先写一段简单的代码：

public class LazySingleton {  private static volatile LazySingleton instance = null;  public static LazySingleton getInstance() {    if (instance == null) {      instance = new LazySingleton();    }    return instance;  }  public static void main(String[] args) {    LazySingleton.getInstance();  }}