java中的volatile关键字真的与缓存有关吗？

Question

从我读过的内容来看，java 中的“volatile”关键字确保线程始终获取特定指针的最新值，通常通过直接从/向内存读取/写入以避免缓存不一致。

但为什么需要这样做呢？据我所知，这已经在硬件级别上完成了。如果我从我的系统架构类中没有记错的话，更新内存位置的处理器核心会向其他处理器的缓存发送无效信号，迫使它们在需要时从内存中获取这些行。或者，如果情况相反——如果处理器获取内存，它将强制其他缓存的缓存（但未写入）行首先刷新到内存中。

我唯一的理论是，尽管我已经阅读了所有解释，但这实际上与缓存完全无关。它与 JVM 中的数据可以驻留在两个地方有关 - 线程的本地堆栈和堆。并且 Java 线程可以将其堆栈用作一种缓存。我会买那个，但这也意味着对驻留在堆上的数据使用 volatile 是无用的，因为它由所有线程共享并遵守硬件实现的一致性？

例如：

public final int[] is = new int[10];

访问 is 的数据将始终导致获得最新的数据，因为数据驻留在堆上。然而，指针是一个原语，可能会成为堆栈问题的受害者，但由于它是最终的，我们没有这个问题。

我的假设正确吗？

编辑：据我所知，这不是重复的。所谓的重复线程是那些误导性的答案之一，它说它与缓存一致性有关。我的问题不是 volatile 用于什么，也不是如何使用它。它正在测试一种理论，并且进行更深入的测试。

Answer 1

但为什么需要这样做呢？据我所知，这已经在硬件级别上完成了。

这是不正确的。在现代多核系统中，简单的内存写入指令不一定会写入主内存（当然，不是立即），并且不保证内存读取指令从主内存/其他缓存读取最新值。如果内存读/写指令总是这样做，内存缓存将是浪费时间。

为了保证这些事情，（本机代码）编译器需要在导致缓存写入或缓存失效的关键点发出指令。

我唯一的理论是，这实际上与缓存完全无关......

那是不正确的。这一切都与缓存有关。问题是您误解了典型现代多核处理器上的典型指令如何处理缓存。

ISA 的设计使缓存使单线程代码运行得更快……通过避免进入主内存。如果只有一个线程在给定地址读取和写入值，那么处理器缓存中值的副本比主内存中的副本新这一事实无关紧要。

但是当有多个线程时，您可以在不同的内核上运行两个线程，并使用不同的内存缓存。如果有 N 个内核，则给定地址->值关联可能有 N+1 个不同的“版本”。那是混乱的。在 Java 中有两种方法可以解决这个问题：

• 将变量声明为volatile告诉编译器使用（昂贵的）缓存刷新和/或缓存失效指令（或作为副作用刷新或失效的指令）来实现读取和写入。

• 使用适当的同步，并依靠发生之前的关系通知编译器在哪里放置内存屏障。典型的同步操作还将涉及根据需要刷新和/或使缓存无效的指令。这通常是提供内存屏障的原因。

但是，这都是特定于 ISA 的，所使用的特定机器指令将取决于 JIT 编译器。

参考：

• https://fgiesen.wordpress.com/2014/07/07/cache-coherency/ - 特别要注意直写和回写缓存之间的区别，并考虑这对运行的多线程应用程序有何影响不一定共享缓存的多个内核。

另一件需要注意的是，在典型的编译程序中还有另一种缓存：在寄存器中缓存临时变量。

Java 内存模型没有直接讨论硬件的行为：内存缓存和寄存器。相反，它指定了保证多线程应用程序使用共享内存的情况。但其根本原因远比“文字撕裂”更广泛。

最后，JVM 抽象机中的“表达式堆栈”实际上只是用于指定操作语义的一种技巧。当字节码被编译为本机代码时，值存储在硬件机器寄存器或硬件内存位置。表达式堆栈不再存在。当然，调用堆栈/本地帧是存在的。但它们是作为普通内存实现的。