JAVA多线程基础篇 4、可见性、有序性与Volatile

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已于 2022-03-11 17:23:46 修改

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分类专栏： JAVA多线程基础篇文章标签： java 学习开发语言算法后端

于 2022-03-08 15:01:22 首次发布

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/EndlessProcess/article/details/123354016

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本文探讨了Java多线程中的可见性和有序性问题，通过volatile关键字如何确保线程间变量的可见性，并通过实验展示了volatile防止指令重排序的效果。文章还分析了处理器的内存模型和缓存一致性协议（MESI），并提供了示例代码来验证volatile的作用。最后，总结了volatile在保证内存可见性和禁止特定类型处理器重排序中的作用。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

1. 可见性问题和有序性问题

在多线程开发中，可见性问题和有序性问题需要依托volatile来保证。

可见性，一个线程对共享变量的修改，另外一个线程能够立刻看到。
首先需要了解一个概念，堆和栈。
程序在运行的过程中，数据放在堆中，线程内部的缓存数据会放在栈中。
在堆中的数据是公共的，而在线程的栈帧里的数据是缓存各自线程的。
因此，当A、B两个线程，无论谁更新了线程内的数据，都及时同步并告知其他线程重新刷新读取缓存。java使用volatile 修饰的变量，通过操作系统底层的锁总线（LOCK#）或者缓存一致性协议（MESI）实现可见性。

Lock 会对总线进行锁定，其它 CPU 对内存的读写请求都会被阻塞，直到锁释放。LOCK的开销比较大，锁总线期间其他 CPU 没法访问内存。于是引入了缓存一致性协议(MESI)来实现。
MESI 当一个缓存代表它所属的处理器去读写内存时，其它处理器都会得到通知，它们以此来使自己的缓存保持同步。只要某个处理器写内存，其它处理器马上知道这块内存在它们的缓存段中已经失效。

有序性，即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。
在执行程序时为了提高性能，编译器和处理器常常会对指令做重排序。

编译器优化的重排序。编译器在不改变单线程程序语义的前提下，可以重新安排语句的执行顺序。
指令级并行的重排序。现代处理器采用了指令级并行技术（Instruction-Level Parallelism， ILP）来将多条指令重叠执行。如果不存在数据依赖性，处理器可以改变语句对应机器指令的执行顺序。
内存系统的重排序。由于处理器使用缓存和读 / 写缓冲区，这使得加载和存储操作看上去可能是在乱序执行。

通过synchronized和Lock来保证有序性，synchronized和Lock保证每个时刻是有一个线程执行同步代码，相当于是让线程顺序执行同步代码，自然就保证了有序性。
通过使用volatile来保证有序性，对一个 volatile 域的写，编译器在生成字节码时，会在指令序列中插入内存屏障来禁止特定类型的处理器重排序。

# 2. 可见性问题的实验

public class VolatileTest {
    private static boolean flag = true;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        new Thread(()->{
            while (flag) {
            }
            System.out.println("over");
        }).start();
    
        Thread.sleep(5);
    
        flag=false;
    }
}

此时，程序是不会有任何输出的，因为在更改flag为false后，线程栈帧内存储的变量没有被改变。

volatile3

2.1 volatile确保了可见性

如下程序，简单增加volatile修饰后可以达到效果。

public class VolatileTest {
    private volatile static boolean flag = true;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        new Thread(()->{
            while (flag) {

            }
            System.out.println("over");
        }).start();

        Thread.sleep(5);

        flag=false;
    }
}

运行结果:
volatile1

注意：volatile一般修饰基础类型，尽量不要去修饰引用类型。

3. 一个指令乱序的实验

如果没有乱序执行，则只可能x和y 分别同时为1 ，或者是1 0 组合或者是 0 1 组合。

一定不能出现x和y同时为0.

public class VolatileTest2 {
        static int a;
        static int b;
        static int y;
        static int x;
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
            int count = 0;
            while (true) {
                a = 0;
                b = 0;
                y = 0;
                x = 0;
                Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
                    @Override
                    public void run() {
                        a = 1;
                        x = b;
                    }
                });
                Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
                    @Override
                    public void run() {
                        b = 1;
                        y = a;
                    }
                });

                t1.start();
                t2.start();
                t1.join();
                t2.join();
                count++;
                if (x == 0 && y == 0) {
                    System.out.println("第"+count+"次");
                    break;
                }
            }
        }
}

运行结果显示，出现了x和y同时为0。说明程序命令a = 1;x = b;或b = 1;y = a发生了乱序执行。

第183383次 (0,0）

Process finished with exit code 0

总结

java使用volatile 修饰的变量，通过操作系统底层的锁总线（LOCK#）或者缓存一致性协议（MESI）实现可见性。

java对一个 volatile 域的写，编译器在生成字节码时，会在指令序列中插入内存屏障来禁止特定类型的处理器重排序。

多线程系列在github上有一个开源项目，主要是本系列博客的实验代码。

https://github.com/forestnlp/concurrentlab

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