易失性关键字和 CPU 缓存一致性协议

Question

CPU已经通过一些协议（如MESI）保证了缓存的一致性。 为什么我们还需要 volatile 在某些语言中（如 java）来保持多线程之间的可见性。

可能的原因是这些协议在启动时未启用，必须由某些指令触发，例如 LOCK。

如果真的那样，为什么 CPU 启动时不启用协议？

Answer 1

Volatile 可防止 3 种不同类型的问题：

可见度
重新排序
原子性

我假设 X86..

首先，X86 上的缓存始终是一致的。因此不会发生在一个 CPU 将某个变量的存储提交到缓存后，另一个 CPU 仍会加载该变量的旧值。这是MESI协议的域。

假设 Java 字节码中的每个 put 和 get 都被翻译（而不是优化掉）到 CPU 上的存储和加载，那么即使没有 volatile，每个 get 也会看到最近放入同一地址。

这里的问题是编译器（在本例中为 JIT）有很大的自由来优化代码。例如，如果它检测到在循环中读取了相同的字段，它可以决定将该变量提升到循环之外，如下所示。

 for(...){
       int tmp = a;
       println(tmp);
 }

吊装后：

 int tmp = a;
 for(...){
       println(tmp);
 }

如果该字段仅被 1 个线程触及，这很好。但是如果字段被另一个线程更新，第一个线程将永远看不到变化。使用 volatile 可以防止此类可见性问题，这实际上是以下行为：

C 风格易失性
在 JSR-133 引入 Java 内存模型之前 Java volatile。
具有不透明访问模式的 VarHandle。

那么volatile还有一个很重要的方面； volatile 防止加载和存储到某些 CPU 执行的指令流中的不同地址被重新排序。 JIT 编译器和 CPU 有很大的自由度来重新排序加载和存储。尽管在 X86 上，由于存储缓冲区，只有较旧的存储可以用较新的负载重新排序到不同的地址。

想象一下下面的代码：

int a;
volatile int b;

thread1:
    a=1;
    b=1;

thread2:
    if(b==1) print(a);

b 易变的事实阻止 a=1 的存储在存储 b=1 之后跳转。它还可以防止 a 的负载在 b 的负载之前跳入。因此，线程 2 保证在读取 b=1.

时看到 a=1

所以使用volatile，可以保证非volatile字段对其他线程可见。

如果您想了解 volatile 的工作原理，我建议您深入研究 Java 内存模型，正如 Margeret Bloom 已经指出的那样，该模型以同步和先发生规则表示。我已经给出了一些底层细节，但是在 Java 的情况下，最好使用这个高级模型而不是从硬件的角度考虑。仅以 hardware/fences 的方式思考仅供专家使用，不可移植且非常脆弱。

易失性关键字和 CPU 缓存一致性协议

The Volatile Keyword and CPU Cache Coherence Protocol

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cpu

caching

volatile

cpu-cache