《Java并发编程的艺术》第二章--2.1--volatile的定义与实现原理

前言

Java代码在编译后会变成Java字节码，字节码被类加载器加载到JVM里，JVM执行字节

码，最终需要转化为汇编指令在CPU上执行，Java中所使用的并发机制依赖于JVM的实现和

CPU的指令。

2.1　volatile的应用

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，它在多处理器开发中保证了共享变量的“可见性”。可见性的意思是当一个线程

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变量修饰符使用恰当

的话，它比synchronized的使用和执行成本更低，因为它不会引起线程上下文的切换和调度。

1.volatile的定义与实现原理

Java语言规范第3版中对volatile的定义如下：Java编程语言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语言

提供了volatile，在某些情况下比锁要更加方便。如果一个字段被声明成volatile，Java线程内存

模型确保所有线程看到这个变量的值是一致的。

volatile是如何来保证可见性的呢？让我们在X86处理器下通过工具获取JIT编译器生成的

汇编指令来查看对volatile进行写操作时，CPU会做什么事情。

Java代码如下。

instance = new Singleton(); // instance是volatile变量

转变成汇编代码，如下。

0x01a3de1d: movb $0×0,0×1104800(%esi);0x01a3de24: lock addl $0×0,(%esp);

有volatile变量修饰的共享变量进行写操作的时候会多出第二行汇编代码，通过查IA-32架

构软件开发者手册可知，Lock前缀的指令在多核处理器下会引发了两件事情。

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。

为了提高处理速度，处理器不直接和内存进行通信，而是先将系统内存的数据读到内部

缓存（L1，L2或其他）后再进行操作，但操作完不知道何时会写到内存。如果对声明了volatile的

变量进行写操作，JVM就会向处理器发送一条Lock前缀的指令，将这个变量所在缓存行的数据

写回到系统内存。但是，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。

下面来具体讲解volatile的两条实现原则。

1）Lock前缀指令会引起处理器缓存回写到内存。Lock前缀指令导致在执行指令期间，声

言处理器的LOCK#信号。在多处理器环境中，LOCK#信号确保在声言该信号期间，处理器可以

独占任何共享内存（因为它会锁住总线，导致其他CPU不能访问总线，不能访问总线就意味着不能访问系统内

存。）。但是，在最近的处理器里，LOCK＃信号一般不锁总线，而是锁缓存，毕

竟锁总线开销的比较大。在8.1.4节有详细说明锁定操作对处理器缓存的影响，对于Intel486和

Pentium处理器，在锁操作时，总是在总线上声言LOCK#信号。但在P6和目前的处理器中，如果

访问的内存区域已经缓存在处理器内部，则不会声言LOCK#信号。相反，它会锁定这块内存区

域的缓存并回写到内存，并使用缓存一致性机制来确保修改的原子性，此操作被称为“缓存锁

定”，缓存一致性机制会阻止同时修改由两个以上处理器缓存的内存区域数据。

2）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。IA-32处理器和Intel 64处

理器使用MESI（修改、独占、共享、无效）控制协议去维护内部缓存和其他处理器缓存的一致

性。在多核处理器系统中进行操作的时候，IA-32和Intel 64处理器能嗅探其他处理器访问系统

内存和它们的内部缓存。处理器使用嗅探技术保证它的内部缓存、系统内存和其他处理器的

缓存的数据在总线上保持一致。例如，在Pentium和P6 family处理器中，如果通过嗅探一个处理

器来检测其他处理器打算写内存地址，而这个地址当前处于共享状态，那么正在嗅探的处理

器将使它的缓存行无效，在下次访问相同内存地址时，强制执行缓存行填充。