Java内存可见性volatile
june.js 人气:1概述
JMM规范指出，每一个线程都有自己的工作内存（working memory）,当变量的值发生变化时，先更新自己的工作内存，然后再拷贝到主存（main memory）,这样其他线程就能读取到更新后的值了。
注意：工作内存和主存是JMM规范里抽象的概念，在JVM的内存模型下，可以将CPU缓存对应作线程工作内存，将JVM堆内存对应主存。
写线程更新后的值何时拷贝到主存？读线程何时从主存中获取变量的最新值？hotspotJVM中引入volatile关键字来解决这些问题，当某个变量被volatile关键字修饰后，多线程对该变量的操作都将直接在主存中进行。在CPU时钟顺序上，某个写操作执行完成后，后续的读操作一定读取的都是最新的值。
内存可见性带来的问题
如下代码片段，写线程每隔1秒递增共享变量counter，读线程是个死循环，如果读线程始终能读取到counter的最新值，那么最终的输出应该是 12345。
public class App {
// 共享变量
static int counter = 0;
public static void main(String[] args) {
Thread thread1 = new Thread(() -> {
int temp = 0;
while (true) {
if (temp != counter) {
temp = counter;
// 打印counter的值，期望打印 12345
System.out.print(counter);
}
}
});
Thread thread2 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
counter++;
// 等待1秒，给读线程足够的时间读取变量counter的最新值
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
// 退出程序
System.exit(0);
});
thread1.start();
thread2.start();
}
}
在没有volatile的情况下，实际的输出结构如下：
1
Process finished with exit code 0
通过volatile解决问题
将共享变量用volatile关键字修饰即可，如下：
// 共享变量
static volatile int counter = 0;
再次执行程序，输出结果如下：
12345
Process finished with exit code 0
综上，volatile关键字使得各个线程对共享变量的操作变得一致。在非volatile字段上做更新操作时，无法保证其修改后的值何时从工作内存（CPU缓存）刷新到主存。对于非volatile字段的读操作也是如此，无法保证线程何时从主存中读取最新的值。
volatile无法保证线程安全性
如下代码片段，多个线程同时递增一个计数器：
public class App {
// 共享变量
static volatile int counter = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread thread1 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
counter++;
}
});
Thread thread2 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
counter++;
}
});
thread1.start();
thread2.start();
thread1.join();
thread2.join();
System.out.println("总和：" + counter);
}
输入结果：
总和：12374
如果volatile能保证线程安全，那么输出结果应该是20000，但上面的代码输出12374，所以说，volatile不能解决线程安全（thread）的问题。
所以，还是要通过其他手段来解决多线程安全的问题，比如synchronized。
volatile和synchronized的区别
在上述的代码示例中，我们并没有涉及到多线程竞态（race condition）的问题，核心点是“多线程情况下，对共享变量的写入如何被其他线程及时读取到”。
synchronized关键字是Java中最常用的锁机制，保证临界区（critical section）中的代码在同一个时间只能有一个线程执行，临界区中使用的变量都将直接从主存中读取，对变量的更新也会直接刷新到主存中。所以利用synchronized也能解决内存可见性问题。
代码如下：
public class App {
// 共享变量
static int counter = 0;
public static void main(String[] args) {
// 读取变量的线程
Thread readThread = new Thread(() -> {
int temp = 0;
while (true) {
synchronized (App.class) {
if (temp != counter) {
temp = counter;
// 打印counter的值，期望打印 12345
System.out.print(counter);
}
}
}
});
// 修改变量的线程
Thread writeThread = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
synchronized (App.class) {
counter++;
}
// 等待1秒，给读线程足够的时间读取变量counter的最新值
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
System.exit(0);
});
readThread.start();
writeThread.start();
}
}
运行，输入结果：
12345
Process finished with exit code 0
虽然通过synchronized也能解决内存可见性的问题，但是这个解决方案也带来了其他问题，比如性能会比较差。
总结
多线程可以提升程序的运行速度，充分利用多核CPU的算力，但多线程也是“恶魔”，会给程序员带来很多问题，比如本文中的内存可见性问题。volatile可以使变量的更新及时刷新到主存，变量的读取也是直接从主存中获取，保证了数据的内存一致性。但是volatile不是用来解决线程安全问题的，无法替代锁机制。
参考：
[1] Java Memory Model - Visibility problem, fixing with volatile variable
[2] Guide to the Volatile Keyword in Java
[3] Managing volatility
[4] Java Volatile Keyword
[5] Thread and Locks
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