在非线程场景中使用 Java volatile 关键字答案

【问题标题】：Using Java volatile keyword in non-thread scenario在非线程场景中使用 Java volatile 关键字
【发布时间】：2022-01-23 11:22:53
【问题描述】：

我了解 Java 关键字 volatile 用于多线程上下文；主要目的是从内存中读取而不是从缓存中读取，或者即使从缓存中读取，也会先更新。

在下面的例子中，没有多线程的概念。我想了解变量 i 是否会作为代码优化的一部分被缓存，从而从 cpu 缓存而不是内存中读取？如果是的话，如果变量声明为volatile，肯定会从内存中读取吗？

我通过添加和删除 volatile 关键字多次运行该程序；但是，由于 for 循环没有固定的时间，因此当变量声明为 volatile 时是否消耗更多时间，我无法得出结论。

我只想看到，从 CPU 缓存中花费的时间实际上比它声明为 volatile 时要少。

我的理解是否正确？如果是，我怎样才能看到这个概念在工作中，并很好地记录了 CPU 缓存读取和内存读取的时间？

import java.time.Duration;
import java.time.Instant;

public class Test {
    
    volatile static int i=0;
//  static int i=0;

    public static void main(String[] args) {
        Instant start = Instant.now();

        for (i=0; i<838_860_8; i++) { // 2 power 23; ~ 1 MB CPU Cache
            System.out.println("i:" + i);
        }
        Instant end  = Instant.now();
        
        long timeElapsed = Duration.between(start, end).getSeconds();
        System.out.println("timeElapsed: " + timeElapsed + " seconds.");

    }
}

【问题讨论】：

不确定你的基准，没有重大变化，测试很多。你确定 JVM 已经离开解释模式了吗？不相信您的代码甚至会被 JIT 化
是的，该变量将从内存中读取，因为 volatile 保证 JVM 从内存中读取它。至于基准测试是@Bor
@BoristheSpider 我只是假设变量 i 将存储在 CPU 缓存中，主要是因为在任何给定时间点，它的值都是
变量中存储的值与它是否存储在缓存或主内存中无关。您可能正在考虑一个大型数组，它不能作为一个整体放入缓存中，但现在您只有一个 int 变量，它只占用 4 个字节的内存。
按逻辑，如果使用volatile，肯定有一些缺点，否则就是默认的，甚至不存在。通过 JMH 测试，差异很大（循环系数为 20 并对变量 {println not used} 求和）

标签： java caching volatile

【解决方案1】：

我认为答案是“可能是的”......对于当前的 Java 实现。

我们无法确定的原因有两个。

Java 语言规范实际上并没有说明寄存器、CPU 缓存或类似的东西。它实际上说的是在一个写 volatile 的线程和另一个线程（随后）读取它之间存在 happens before 关系。
虽然可以合理地假设这会在有多个线程的情况下影响缓存，但如果 JIT 编译器能够推断出 volatile 变量对于给定的线程线程受限执行您的应用程序时，可能会导致它可以缓存变量。

这就是理论。

如果存在可衡量的性能差异，您将能够在正确编写的基准测试中对其进行衡量。（虽然根据 Java 版本和您的硬件，您可能会得到不同的结果。）

但是，您的基准测试的当前版本有许多缺陷，这会使它给出的任何结果都令人怀疑。如果您想获得有意义的结果，我强烈建议您阅读以下问答。

How do I write a correct micro-benchmark in Java?。

（不幸的是，某些答案中的某些链接似乎已损坏...）

【讨论】：

【解决方案2】：

你的基准测试的前提是有缺陷的；缓存是事实的来源。缓存一致性协议确保 CPU 缓存是一致的；内存只是不适合缓存的任何内容的溢出桶，因为大多数缓存都是后写（而不是直写）。换一种说法;不需要将 volatile 写入主存储器；写入缓存就足够了。

一些不需要写入缓存的示例：

I/O DMA：您希望防止写入缓存，否则主内存和 CPU 缓存可能会变得不连贯。
非时间数据：例如您正在处理一些庞大的数据集，并且您只访问它一次，缓存它是没有意义的。

但这超出了常规 Java volatile 的范围。

使用 volatile 是要付出代价的：

原子性保证。
无法优化加载和存储。这排除了许多编译器优化。 Volatile 不会阻止使用 CPU 寄存器；它只会“无限期地”防止“缓存”寄存器中的变量内容。
以栅栏的形式订购保证。在上述案例中的 X86 上，价格处于 volatile store。存储需要等待存储和所有更早的存储提交到缓存。

尤其是最后两个会影响不稳定的性能。

除此之外，您的基准测试存在缺陷。首先，正如其他人已经指出的那样，我会切换到 JMH。它将处理相当多的典型基准测试错误，例如预热和死代码消除。此外，您不应该在基准测试中使用 System.out，因为这将完全影响性能。

【讨论】：