Напишу пару уточнений.
Насколько понимаю, сам вопрос звучит немного по-другому: "если протокол согласованности кэшей (cache coherency) обязывает кэши процессора хранить ячейку памяти в согласованном состоянии, то зачем нужен volatile, который делает то же самое?"
Во-первых, тут идет обсуждение двух разных уровней. JLS действует внутри JVM, протокол cache coherence присутствует только в специфичной процессорной архитектуре. Cache coherence не обязан существовать на той архитектуре, для которой скомпилирована и на которой запускается JVM, таким образом JLS делает опциональную фичу обязательной (на самом деле, фича чуть больше чем просто согласованность, про это ниже). Я практически уверен, что 99%+ многоядерных процессоров сейчас имеют этот протокол, однако Java не может полагаться на что-то, чему нет гарантии - предполагается, что все приложения на Java должны исполняться одинаково на всех архитектурах (кроме случаев взаимодействия с ОС, где могут быть, например, разные пути). Поэтому JLS был практически обязан ввести такое понятие, даже если оно существует на большинстве систем из коробки, потому что даже если JVM реализована на каком-нибудь питоне, она все равно должна исполнять код так же, как и на любой другой системе.
Во-вторых, если взять определение из википедии:
a multiprocessor is cache consistent if all writes to the same memory location are performed in some sequential order
(вольный перевод) многопроцессорный кэш является консистентным, если все операции записи по одному адресу выполняется в каком-либо последовательном порядке
то здесь стоит обратить внимание на "memory location". В Java присутствуют типы данных, которые могут занимать больше одного слова, которым оперирует процессор - как минимум, при запуске на 32битной операционной системе double и long будут занимать по два слова. Если я все правильно понимаю, то на такой системе может возникнуть следующая ситуация:
линия кэша 1: <другие данные><старшие или младшие 32 бита double>
линия кэша 2: <остаток double><другие данные>
В этом случае процессор даже в условиях строгого cache coherence имеет право обновить ровно половину double, в результате чего потоки имеют право увидеть мусор вместо реального значения. Volatile запрещает такую ситуацию, гарантируя атомарность записи любой переменной.
В-третьих, кроме непосредственно "железных" проблем, в выполнении кода (косвенно) участвует компилятор. Я не знаю, насколько это применимо к современной Java, но агрессивный компилятор имеет право применить следующие оптимизации:
boolean flag = true;
while (flag) {
doProcessing();
}
// хм, flag не отмечен volatile, значит, программист считает, что он может обновляться только локально
// закэширую-ка я его в регистре процессора, так будет быстрее
eax = load(flag);
while (eax) {
doProcessing();
}
регистр при этом никогда не обновится - он никак не связан с протоколом целостности кэша. Повторюсь, что я не знаю, как реально ведут себя существующие компиляторы Java, но именно этот пример приведен в JLS как небезопасный.
Ну и, наконец, семантика volatile вмешивается в порядок выполнения программы. JLS требует выполнения следующих условий:
- Все действия внутри одного треда имеют зависимость happens-before друг с другом - т.е. результат вышестоящего по коду действия всегда будет виден нижестоящему по коду действию.
- Все действия с volatile имеют зависимость happens-before друг к другу - если кто-то записал в volatile-поле некоторое значение, все последующие чтения уже не имеют право увидеть устаревшее значение
- Отношение happens-before транзитивно, т.е. если операция A happens-before B, а B happens-before C, то справедливо A happens-before C - значит, C увидит все изменения, сделанные A.
Компилятор, JVM и процессор имеют право как угодно перемещать выражения, пока эти условия выполняются. Если взять следующий код
int result = 0;
boolean done = false;
....
this.result = 1;
this.done = true;
то он имеет полное право превратиться в
this.done = true;
this.result = 1;
потому что все последующие выражения все равно увидят тот же самый результат. В этом примере другой поток, увидевший done = true
, все еще может прочитать 0 из result
. Однако если объявить done
как volatile, то запись в result
обязана произойти до записи true
в done
, а чтение true
- после его записи, и таким образом можно обеспечить гарантию видимости изменения в потоках-слушателях. Это не отменяет возможности того, что в result за этот период произойдет больше одной записи, только гарантирует то, что к моменту чтения из result в нем будет современное обновлению done или более позднее значение.
Обновление
Кроме всего вышеописанного, есть еще один забавный кейс. Java откровенно страдает от хипов большого размера, точнее, от времени выполнения GC на таком хипе. Естественно, с этой проблемой пытаются бороться - с помощью GC, работающих в параллель с приложением. Одной из тактик в таком случае является эвакуация живых объектов из очищаемого региона, чтобы затем просто объявить его свободным для полной перезаписи. В этом случае в JVM одновременно могут жить две копии объекта (одна по старому адресу, и еще одна - эвакуируемая), которые требуют сихронизации записей и чтения. К счастью для имплементаторов, JMM ничего не обещает для обычных чтений, поэтому большинство операций можно освободить от синхронизации, и в один момент может сложиться ситуация, что все записи идут в один объект, а чтение производится из другого - до тех пор, пока доступ не синхронизован. Это, как и все вышеописанные примеры, находится в полном согласии с cache coherence, но допускает аномалии при работе приложения (и все по тем же причинам - cache coherence работает на уровне отдельных блоков памяти, JVM - объектов и полей). Этот абзац относится к Shenandoah GC, который ожидается в десятой джаве, но такие способы прострелить ногу можно смело ждать и в других ситуациях.