java 缓存一致性_Java多线程——CPU缓存原理和缓存一致性问题

说起Java中的多线程，就不得不说volatile关键词volatile关键词执行修饰变量和实例变量，不能修饰方法参数，局部变量和实例常量。

volatile是Java提供的一种轻量级的同步机制，在并发编程中，它是担任了重要的角色。同synchronized相比(synchronized通常称为重量级锁)，volatile更轻量级。

想要了解votatile的来龙去脉，就必须了解CPU缓存模型和java内存模型，本文介绍前者。

众所周知，计算机所有的运算操作都是在cpu寄存器来完成的，运算操作无非就是数据的读取和写入操作，但CPU能访问的数据只能是计算机内存(RAM)，虽然相比于普通硬盘和固态硬盘，RAM的速度远超这两者，但比起CPU的处理速度来说，这之间的差距可达数千倍。

举个简单的例子，随着光纤的普遍接入，网络速度大大提高，可不管下载速度如何提高，它的上限都受制于硬盘的写入速度，就算下载速度超过了10GB/s，可固态硬盘写入速度撑死也只能达到它的十分之一。

CPU也一样，由于运算速度和内存访问速度上面的不对等，导致CPU资源会受到极大的限制，于是就有在CPU主存和内存之间增加了缓存的设计。

看图中I9 9900K的参数，现在的缓存可以增加到3级。

在程序的运行中，会将运算所需要的数据复制一份到CPU缓存中，这样CPU就可以直接对缓存中的数据进行运算，当运算结束后，将缓存中的数据刷新到内存中，依靠这样的方式，极大提高了CPU的吞吐量。

在提高了吞吐量的同时，也出现了另一个问题，缓存不一致、

试想有一段运算操作：i++读取i的值到cpu cache中

对i进行加1操作

将结果保存到cpu cache中

运算完成，将数据刷新到内存中

这里就存在和java一样的多线程问题，在两个线程同时对i进行操作的时候，每个线程都有自己的工作内存，变量i会在多个线程的本地内存中都保存一个副本，假设i值为1，在同一时间的两个线程读取i的值保存在cpu cache中，经过运算后再写入内存，但i再经过两次自增后，最后写入内存的值还有可能是2。

为了解决这个问题，通常有两种办法：加锁的方式

缓存一致性协议

第一种方式是一种悲观的方式，只有一个cpu能抢到锁进行运算，而其他cpu就进入阻塞状态。这种方式的效率低下，所以就有了第二种方式。

缓存一致性协议的大致思想是：

如果cpu在操作数据的时候，发现数据是一个共享变量(其他cache也保存了副本)，就进行如下操作：读取操作：不做任何处理，只是将cache的数据读取到寄存器。

写入操作：发送一个信号通知其他cpu这个变量我已经改过了，设置为无效变量，其他cpu在进行操作的时候就不得不重新读取一次数据再进行操作。

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