volatile底层原理

岁月变迁呀

已于 2023-03-05 12:22:44 修改

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分类专栏： Java 文章标签： java jvm 开发语言

于 2021-06-27 22:18:37 首次发布

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1、测试代码

public class VolatileDemo {

    public static void main(String[] args) {
        FlagThread flagThread = new FlagThread();
        new Thread(flagThread).start();
        for (; ; ) {
            if (flagThread.isFlag()) {
                System.out.println("flag变量修改对于其他线程可见...");
            }
        }
    }

    static class FlagThread implements Runnable {

        private boolean flag = false;

        public boolean isFlag() {
            return flag;
        }

        @Override
        public void run() {
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            flag = true;
            System.out.println("当前flag值为：" + flag);
        }
    }

}

程序执行流程分析：

1）flagThread线程执行时候休眠一秒

2）主线程从主存中读取flag变量的值false到本地工作内存中

3）每次循环都从本地工作内存中读取flag变量的值都为原始值false

4）flagThread线程从休眠中醒来，并且将flag设置为true

5）但是由于没有加volatile修饰flag，所以主线程还是会从自己的本地工作内存中读取flag，flagThread线程对于flag变量的修改对于其他线程是不可见的

思考：为什么会出现这种情况？

要想深入了解就得从现代计算机的内存模型和Java内存模型说起了

2、现代计算机的内存模型

由于内存和CPU的运算速度有几个数量级的差距，所以引入了一层与CPU计算速度差不多的高速缓存作为CPU和内存之间的缓冲，在CPU运算时从主存中加载数据到高速缓存中，提升CPU运算速度。
在这里插入图片描述
在多核CPU处理器中，每个CPU都有自己的高速缓存，当多个CPU执行任务都操作主存中同一个共享变量时，那么同步回主存的数据以哪个CPU缓存为准呢？此时就存在一个缓存一致性问题。为了解决缓存一致性问题，就需要多核处理器在访问缓存时遵循一定的协议，也就是缓存一致性协议。常见的就是Intel的MESI协议。

MESI协议

当CPU写数据时，如果发现操作的是一个共享变量，即其他CPU中也存在该变量的缓存副本，那么就会发出信号将其他CPU中该变量的缓存行置为无效状态，当其他CPU操作该变量时，发现自己缓存中该数据的缓存行是无效的，那么就会从主存中重新读取。

MESI协议的四种状态

CPU中每个缓存行使用4种状态标记：
1）Exclusive（独享状态）：该缓存行的数据只缓存在该CPU中，并且与主存中的数据是一致的。该状态在其他CPU读取主存中的共享变量时变成共享状态；在其他CPU修改该变量时变成修改状态。
2）Shared（共享状态）：该缓存行可能被多个CPU缓存，并且缓存行的数据与主存中的数据一致。如果某个CPU修改了缓存行中的数据，那么其他CPU中的缓存行会被置为无效状态。
3）Modify（修改状态）：该缓存行只被缓存在该CPU中，并且是被修改过的，即与主存中的数据不一致。CPU将缓存中的数据在未来的某个时间点（在其他CPU读取主存中该共享变量之前）写回主存中。当被写回主存之后，该缓存行的状态会变成独享状态。
4）Invalid（无效状态）：该缓存行中的数据是无效的，当CPU操作该共享变量时，会从主存中重新读取。

状态变化说明表：
在这里插入图片描述

3、Java内存模型

Java虚拟机规范中定义了Java内存模型（JMM），用于屏蔽各种硬件和操作系统的内存访问差异，以实现在不同平台下达到一致的并发效果。JMM规定了所有的共享变量都存储于主内存，每个线程都有自己的工作内存，每个线程操作变量都只能在本地工作内存中进行，而不能直接操作主内存中的数据。所以当线程修改本地工作内存的变量值，没有及时同步回到主存中，那么就会出现可见性问题。也就是测试代码中的，flag变量被其他线程修改，而对于主线程不可见。

4、内存可见性问题及其解决方案

JMM规定了所有的共享变量都存储于主内存，每个线程都有自己的工作内存，每个线程操作变量都只能在本地工作内存中进行，而不能直接操作主内存中的数据。所以当线程修改本地工作内存的变量值，没有及时同步回到主存中，那么就会出现可见性问题。

1）加锁

当线程获取锁时，会清空本地工作内存，从主存中读取最新的变量值到本地工作内存中，执行任务修改后的变量值会被同步回主内存中，线程释放锁。因此在线程同步过程中获取的共享变量值一直会是最新的。

2）Volatile修饰共享变量

Volatile如何保证可见性，当用Volatile修饰共享变量时，就相当于告诉CPU，这个共享变量需要使用MESI缓存一致性协议和总线嗅探方式进行处理。

假设CPU0读取共享变量到高速缓存中，该共享变量缓存行的状态置为独占状态，当CPU0修改了共享变量的值，那么CPU0中该共享变量缓存行的状态由独占状态变为修改状态。当CPU1需要读取该共享变量时，CPU0中的会将缓存行数据同步回主存中，并且将状态置为共享状态，其他CPU读取主存中最新的值，同时也将该状态置为共享状态。

当CPU1修改共享变量时，会将缓存行中的数据置为修改状态（在下一次remote read时将数据同步回主存），并且会发送信号到总线上，当CPU0在总线上嗅探到共享变量被修改时，会将该变量的缓存行置为无效状态，并在下一次操作该共享变量时去主内存中读取最新数据。