為什么訪問 volatile 變量比 member 慢 100 左右？

Question

這里我寫了一個關於local、member、volatile成員訪問速度的測試：

public class VolatileTest {

public int member = -100;

public volatile int volatileMember = -100;

public static void main(String[] args) {
    int testloop = 10;
    for (int i = 1; i <= testloop; i++) {
        System.out.println("Round:" + i);
        VolatileTest vt = new VolatileTest();
        vt.runTest();
        System.out.println();
    }
}

public void runTest() {
    int local = -100;

    int loop = 1;
    int loop2 = Integer.MAX_VALUE;
    long startTime;

    startTime = System.currentTimeMillis();
    for (int i = 0; i < loop; i++) {
        for (int j = 0; j < loop2; j++) {
        }
        for (int j = 0; j < loop2; j++) {
        }
    }
    System.out.println("Empty:" + (System.currentTimeMillis() - startTime));

    startTime = System.currentTimeMillis();
    for (int i = 0; i < loop; i++) {
        for (int j = 0; j < loop2; j++) {
            local++;
        }
        for (int j = 0; j < loop2; j++) {
            local--;
        }
    }
    System.out.println("Local:" + (System.currentTimeMillis() - startTime));

    startTime = System.currentTimeMillis();
    for (int i = 0; i < loop; i++) {
        for (int j = 0; j < loop2; j++) {
            member++;
        }
        for (int j = 0; j < loop2; j++) {
            member--;
        }
    }
    System.out.println("Member:" + (System.currentTimeMillis() - startTime));

    startTime = System.currentTimeMillis();
    for (int i = 0; i < loop; i++) {
        for (int j = 0; j < loop2; j++) {
            volatileMember++;
        }
        for (int j = 0; j < loop2; j++) {
            volatileMember--;
        }
    }
    System.out.println("VMember:" + (System.currentTimeMillis() - startTime));

}
}

這是我的 X220（I5 CPU）上的結果：

Round:1空車:5 Local:10 Member:312 VMember:33378

輪數：2空車數：31 本地數：0 會員數：294 V會員數：33180

輪次：3空車：0 本地：0 會員：306 VM會員：33085

回合數：4空數：0 本地數：0 會員數：300 虛擬會員數：33066

輪次：5空車：0 本地：0 會員：303 VM會員：33078

輪數：6空車數：0 本地數：0 會員數：299 虛擬會員數：33398

輪數：7空車數：0 本地數：0 會員數：305 虛擬會員數：33139

輪次：8空車：0 本地：0 會員：307 VM會員：33490

輪次：9空車：0 本地：0 會員：350 VM會員：35291

輪次：10空車：0 本地：0 會員：332 VM會員：33838

令我驚訝的是，訪問 volatile 成員比普通成員慢 100 倍。 我知道關於 volatile 成員有一些突出的特性，比如對它的修改將立即對所有線程可見，對 volatile 變量的訪問點起着“內存屏障”的作用。 但是所有這些副作用會是慢 100 倍的主要原因嗎？

PS：我也在Core II CPU機器上做過測試。 大約是9:50，慢了大約5倍。 似乎這也與 CPU 架構有關。 5倍還是很大吧？

Answer 1

volatile 成員從不被緩存，所以它們直接從主內存中讀取。

Answer 2

訪問volatile變量會阻止 CPU 在訪問前后對指令進行重新排序，這通常會減慢執行速度。

Answer 3

訪問volatile會阻止一些 JIT 優化。 如果您有一個實際上不執行任何操作的循環，這一點尤其重要，因為 JIT 可以優化此類循環（除非您有一個 volatile 字段）如果您“長時間”運行循環，差異應該會增加更多。

在更實際的測試中，您可能預計volatile對關鍵代碼的處理速度要慢 30% 到 10 倍。 在大多數實際程序中，它幾乎沒有什么區別，因為 CPU 足夠聰明，可以“意識到”只有一個內核在使用易失性字段並緩存它而不是使用主內存。

Answer 4

使用volatile會直接從內存中讀取，這樣cpu的每個核心都會在下一次get時從變量中獲取變化，沒有使用cpu緩存，不會使用寄存器，L1~L3緩存技術，讀取自

1. 寄存器 1 個時鍾周期
2. 一級緩存 4 個時鍾周期
3. 二級緩存 11 個時鍾周期
4. L3緩存30~40個時鍾周期
5. 內存 100+ 時鍾周期

這就是為什么使用 volatile 時你的結果會慢大約 100 倍。