[Java] volatile 实现

一、cpu 结构以及原子指令简介

1、处理器结构发展历史

单核心
1、core —> 内存

2、多核心
core1 —> 内存
core2 —> 内存

3、 多核+缓存 （内存和cpu 频率差别很大）
core1 —> cache1(1-2) ->cahce3 —>内存
core2 —> cahce2(1-2)->cache3—> 内存

4、多核+缓存+缓冲区
core1 —>[ buffue1] —> cacheN —>[invalidQueue1]—>内存
core2 —>[buffue2] —> cacheN —>[invalidQueue 1]—>内存

2、处理理原子操作/同步支持

原子操作定义：
同一时间只能一个cpu 访问同一区域数据，并且该指令执行过程中不能被中断，不能上下文切换。一般用锁来实现

锁实现：
对同一个标识位(内存/寄存器)更新，用1更新标志位，如果标志位为1 ，则不能更新，表示已加锁，返回0. 反之成功返回1，如果锁操作同时进行，那么将会排序。也会串行执行指令。

3、intel 原子操作实现历史（与cpu 结构设计相关）

0、基础操作类型(读写)
1、读或写一个字节
2、读或写一个在16位边界对齐的字
3、读或写一个在32位边界对齐的双字

1、可靠的原子操作（无缓存，单核），如下操作是原子的
基础操作类型cpu 默认为原子操作

2、总线加锁，使用LOCK#信号和LOCK指令前缀（多核cpu，有缓存或者无缓存）
1、如果有缓存，并且实现了缓存一致性协议
Lock指令将无效， 自动由缓存一致性协议来保证 基础操作类型cpu 默认为原子操作，
缓存一致性协议还保证，共享的缓存数据只能由一个cpu 更新。
2、没有实现缓存一致性协议或者无缓存结构
LOCK 指令将在cpu 控制总线上面发出一个lock 信号，只有一个cpu 能够访问共享数据，并且完成原子操作。（如果多个cpu 同时发出，总线仲裁设备也只会让一个cpu 能够申请成功）

3、内存屏障指令LFENCE，SFECE，MFENCE（多核cpu，除缓存结构外，还有buffer 结构）
0、为什么增加了buffer ，invalidQueue等结构。 为了让cpu 更快的执行。写数据先回buffer ，不写cache 这样 写变成了临时写(类似于异步编程)，然后就可以继续执行后续的读操作（这样cpu 就会乱序执行指令）。
1、为了保证cpu 执行的顺序性，提供了内存屏障指令。并且规定： 读操作不能越过LFENCE和MFENCE指令，读写操作都不能跨越I/O指令，加锁指令，写操作不能越过SFECE和MFENCE指令

4、lock 指令与内存屏障与缓存一致性协议的关系 ？

1、 lock 只能保证单条指令的原子操作。lock 保证只有同时只有一个cpu 写，并且写完成后，保证写的变量在所有cpu里面数据一致
2、 如果有缓存一致性协议的情况下，lock 指令无效。有缓存一致性协议保证。
3、缓存一致性协议，能报保证数据写入到cache 后，各个cpu 里面的数据一致，但是如果数据写入的是buffer，
那么此时缓存一致性协议也将无效。需要通过内存屏障指令。让buffer 里面数据全部写入缓存后。才能执行
后续的指令。buffer flush 到cache 后。就能够保证所有cache 数据一致。
4、内存屏障指令可以保证一部分指令在另一部分指令之前先完成操作。有可能部分指令见是乱序的。部分与部分之间是有序的。
数据同步的粒度大于lock 指令
5、lock 指令与内存屏障指令是cpu 提供给程序自定义使用的指令。让程序有更大的灵活性，充分利用cpu资源（lock 与内存屏障同步的粒度不一样）

二、java volitale 实现

1、 java 语言规范定义 ：

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的更新，线程应该确保通过排他锁单独获得这个变量

2、volitale 实现目标 ：

需要兼容多种不同cpu 结构，不同操作系统。volitale 关键字都能够达到java 语言规范定义的效果

3、volitale 实现细节

1、lock 指令的使用， JIT 编译 会判断当前的cpu 体系结构，来选择是否添加lock 指令。（因为如果cpu 有缓存一致性协议，那么将由缓存一致性协议来保证原子操作以及数据一致）
2、内存屏障指令的使用。
1、为什么要 加强了volitale 的语义？
由于volitale 变量可能读取普通变量的值。需要保证普通变量的加载必须要在volitale 读之前先执行。所以需要内存屏障。写同理
2、内存屏障粒度，由于处理器对内存顺序实现不一样。volitale 也需要动态选择使用哪一种屏障指令。比如 ：
写读：写指令必须先与后续读完成
读读：前部分读必须先于后部分读完成
读写：前部分读指令必须先于后部分写完成
写写：前部分写必须先于后部分写
3、编译器必须保证编译的时候不能乱序。如果编译的时候乱序了，那么执行的顺序将是错误的。编译器还必须实现针对不同的处理器结构生成正确的内存屏障指令。

三、参考资料

1、《java 并发编程艺术》
2、《深入理解并行编程》
3、《计算机组成与设计/硬件软件接口》
4、 英特尔® 64 位和 IA-32 架构开发人员手册：卷 3A