Java多线程——CPU缓存原理和缓存一致性问题

prtyaa 2023-12-30 21:24:57  66055 赞同 0 反对 0

分类：资源

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。

如果您发现该资源为电子书等存在侵权的资源或对该资源描述不正确等，可点击“私信”按钮向作者进行反馈；如作者无回复可进行平台仲裁，我们会在第一时间进行处理！

评价 0 条

相关资源

多线程（二） 2023-12-28 64146 浏览
创建线程的第二种方式：实现runable接口
多线程（十）：线程间通信，等待唤醒机制 2023-12-28 69448 浏览
上篇文章中，这个运行结果不爽。造成这个结果的原因是什么？一个原因是当t1抢到线程优先权，让input录入mike man的时候，线程出了同步方法之后，t2抢到线程优先权，然后output输出mike man，然后t1抢不到线程优先权，这时候t2又抢到线程优先权，所以又输出mike man，然后之后t1总是抢不到线程优先权，t2抢到线程优先权，一直疯狂的输出mike man 因为要的效果是，录入一次打印一次，交替着来。
多线程（九）：线程间通信，解决安全问题 2023-12-28 64738 浏览
线程间通信是一种机制，用于在多线程环境中协调和同步不同线程之间的活动。线程间通信有助于避免数据竞争和死锁等问题，从而提高程序的健壮性和安全性。
多线程（七）：单例设计模式 2023-12-28 67372 浏览
单例模式：解决一个类再内存中只存在一个对象。共享对象。想要保证对象唯一。 1。。。为了避免该类过多的创建对象，那么就私有构造方法 2。。。但是还要让其他程序可以访问该类，那么只好在本类中自定义一个对象， 3。。。为了方便其他程序对自定义对象的访问，可以对外提供一些访问方式
多线程（六）:静态的synchronized函数 2023-12-28 64574 浏览
还是多线程（五）中的代码。如果我们把synchronized函数加一个static呢？情况会怎样？
多线程（五）：多线程（三)的续 2023-12-28 64930 浏览
那怎么处理多线程（三）中的问题呢？也是加锁
多线程（四）：银行存钱 2023-12-28 66722 浏览
有两个人存钱，每人每次存100元，每人存3次
【UniApp】-uni-app -数据缓存 2023-12-29 62031 浏览
经过上个章节的介绍完毕之后，给大家补充了一下 uni-app-数据传递的内容那么补充了 uni-app-数据传递的内容之后，这篇文章来给大家介绍一下 uni-app-数据缓存
【linux c多线程】线程的创建，线程信息的获取，获取线程返回值 2024-01-05 63649 浏览
前言现代的CPU都是多core处理器，而且在intel处理器中每个core又可以多个processor，形成了多任务并行处理的硬件架构，在服务器端的处理器上架构又有一些不同，传统的采用SMP，也就是对称的多任务处理架构，每个任务都可以对等的访问所有内存，外设等，而如今在ARM系列CPU上，多采用NUMA架构，它将CPU核分了几个组，给每个组的CPU core分配了对应的内存和外设，CPU访问对应的内存和外设时速度最优，跨组访问时性能会降底一些。
【探索Linux】—— 强大的命令行工具 P.20（多线程 | 线程互斥 | 互斥锁 | 死锁 | 资源饥饿） 2024-01-05 65931 浏览
引言在上一篇文章中，我们对多线程编程的基础知识进行了深入的探讨，包括了线程的概念、线程控制以及分离线程等关键点。通过这些内容的学习，我们已经能够理解并实现简单的多线程程序。然而，随着程序复杂度的提升，仅仅掌握这些基础是远远不够的。在多线程环境下，数据的共享和访问管理变得尤为重要，否则就可能会遇到数据竞争和一致性问题，导致程序运行出错甚至崩溃。

Java多线程——CPU缓存原理和缓存一致性问题

为了解决这个问题，通常有两种办法：

相关资源

关注我们