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标题: 什么是总线嗅探和总线风暴，和JMM有什么关系？ [打印本页]

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作者: 自由的羽毛    时间: 2024-10-23 07:19
标题: 什么是总线嗅探和总线风暴，和JMM有什么关系？
总线嗅探（Bus Snooping）和总线风暴（Bus Storm）是与多核处置惩罚器和缓存一致性相干的概念，特殊是在并行计算和多处置惩罚器体系中。它们与 Java 内存模型（JMM）密切相干，由于 JMM 规定了在多线程环境下如何包管不同处置惩罚器或线程看到的数据是一致的。
1. 总线嗅探（Bus Snooping）

总线嗅探是一种缓存一致性维护机制，用于在多核处置惩罚器或多处置惩罚器体系中，确保每个处置惩罚器的缓存数据与主存中的数据保持一致。
工作原理：

• 在一个多处置惩罚器体系中，每个处置惩罚器都有本身的缓存来加快数据访问。如果某个处置惩罚器修改了它缓存中的数据，为了确保其他处置惩罚器的缓存中类似的数据保持一致，必须关照其他处置惩罚器。
  
• 总线嗅探的机制就是每个处置惩罚器都监听共享总线（毗连处置惩罚器和内存的通道）上的通信。如果发现某个处置惩罚器修改了某个内存地点的数据，它会标记本身缓存中类似地点的数据为“无效”，确保下次访问该数据时从主存中重新读取。
  

总线嗅探的用途：

• 主要用于保持缓存一致性，特殊是当多个处置惩罚器同时访问和修改共享数据时，防止不同处置惩罚器看到的数据不一致。
  

与 JMM 的关系：

• Java 内存模型（JMM）是 Java 语言规范中关于多线程间如何共享和可见数据的规范。JMM 通过提供内存屏蔽等手段来包管线程间的可见性和有序性，而总线嗅探是硬件层面上的缓存一致性协议，协助实现这些包管。
  
• 在多核处置惩罚器上，JMM 需要依赖硬件的缓存一致性机制（如总线嗅探）来确保变量修改可以大概被其他线程实时看到。
  

2. 总线风暴（Bus Storm）

总线风暴是指在多处置惩罚器体系中，由于过多的嗅探和总线通信导致总线带宽被耗尽，体系性能急剧下降的一种现象。
缘故原由：

• 当体系中有大量处置惩罚器竞争访问同一片内存区域时，频繁的缓存失效和数据更新会导致大量总线嗅探请求。这些嗅探请求会占用总线带宽，最终使总线负载过高，导致通信瓶颈。
  

影响：

• 总线风暴会极大地影响体系性能，由于处置惩罚器花费大量时间在嗅探和处置惩罚缓存一致性事件上，而不是执行有用的计算任务。
  

与 JMM 的关系：

• JMM 通过内存屏蔽（memory barriers）、volatile 关键字等机制，控制变量的可见性和有序性，间接影响了多处置惩罚器体系中缓存一致性的维护。在高并发的 Java 应用步调中，如果没有合理的同步机制（如过度使用 volatile 或频繁锁竞争），可能导致频繁的缓存更新，引发总线风暴，从而影响体系性能。
  

3. 总线嗅探、总线风暴与 JMM 的关系

**Java 内存模型（JMM）**规定了多线程之间如何共享变量和数据的可见性规则。在多线程环境中，JMM 需要包管线程对共享变量的修改可以大概被其他线程实时看到。JMM 主要通过 volatile 关键字、synchronized 块和 Lock 等机制来控制内存可见性、顺序性和一致性。
在底层硬件实现上，总线嗅探是用于维护多处置惩罚器体系中缓存一致性的关键机制。当一个线程修改了变量，其它线程要实时看到这个修改，总线嗅探确保了这些变量在多个处置惩罚器缓存之间的一致性。因此，总线嗅探是包管 JMM 中数据可见性的基础硬件机制之一。
总线风暴与 JMM 的关系在于，当一个多线程步调计划不当，频繁地对共享变量进行修改时，特殊是使用 volatile 或锁竞争时，会导致体系中频繁的缓存一致性协议通信，这可能引发总线风暴，影响整个体系的性能。这提示开发者在使用并发原语时要谨慎，避免过度依赖某些同步机制。
4. 示例：JMM 中的 volatile 和缓存一致性

在 JMM 中，volatile 关键字用于包管共享变量的可见性。volatile 确保一个线程对变量的修改对其他线程是立即可见的。着实现依赖硬件层面的缓存一致性机制（如总线嗅探），比方在修改 volatile 变量时，处置惩罚器会发出缓存一致性协议的消息，关照其他处置惩罚器更新本身的缓存。
Java 示例代码：

1. public class VolatileExample {
2.     private static volatile boolean flag = false;
4.     public static void main(String[] args) {
5.         // 线程1：修改共享变量
6.         new Thread(() -> {
7.             System.out.println("Thread 1 starting...");
8.             try {
9.                 Thread.sleep(2000); // 模拟一些操作
10.             } catch (InterruptedException e) {
11.                 e.printStackTrace();
12.             }
13.             flag = true;  // 修改 volatile 变量
14.             System.out.println("Thread 1 set flag to true");
15.         }).start();
17.         // 线程2：监视共享变量的变化
18.         new Thread(() -> {
19.             while (!flag) {  // 等待 flag 的变化
20.                 // 自旋等待
21.             }
22.             System.out.println("Thread 2 detected flag change!");
23.         }).start();
24.     }
25. }

复制代码

代码表明：

• flag 是一个 volatile 变量，包管线程 1 对 flag 的修改对于线程 2 是可见的。
  
• 当线程 1 设置 flag = true 时，线程 2 可以大概立即检测到这个变革。这是由于 volatile 关键字强制刷新到主存，并且关照其他处置惩罚器更新其缓存（通过总线嗅探）。
  

运行效果：

• 线程 1 在 2 秒后设置 flag 为 true。
  
• 线程 2 检测到 flag 的变革后，输出相应的消息。
  

5. 总结

• 总线嗅探是硬件层面上的一种缓存一致性协议，用于确保多个处置惩罚器缓存中数据的一致性。这对 Java 内存模型的实现至关重要，特殊是在包管多线程中共享变量的可见性时。
  
• 总线风暴则是缓存一致性协议中的一种极度环境，频繁的缓存一致性事件会占用大量总线带宽，影响体系性能。
  
• 在 Java 中，volatile 依赖于总线嗅探来确保数据的可见性，但不包管操作的原子性，锁机制（如 synchronized 和 ReentrantLock）则提供了更全面的内存可见性和原子性保障。
  

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