Java - 主内存&工作内存？使用volatile解决内存可见性问题

一、 什么是内存可见性问题？

     可见性问题是指, 一个线程对共享变量值的修改，不能够及时地被其他线程看到

二、 主内存与工作内存？

 提到内存可见性，我们就可能会听到工作内存以及主内存这两个概念... 这俩是什么？它们和内存可见性问题又有什么联系？ 

首先要明确：CPU是无法直接对内存中的数据进行计算的，cpu的计算分为三个步骤：

• 从内存中读取数据存入到寄存器中
• 在寄存器中进行计算
• 将寄存器中计算的结果传回内存

JVM在设计的时候，对底层的CPU和内存的关系进行了一个抽象：

主内存：计算机真正的内存

工作内存：对应于CPU中的寄存器和缓存等等。由于有多核的存在，这个工作内存也会有多个存在。这个概念和线程私有的内存还是不一样的，线程私有的内存，其实是栈内存。

涉及到主存和工作内存的问题，多半是和多线程在多个实际的CPU核心中运行的场景中才讨论的。

正是由于工作内存的存在，而且可能是分布在不同的CPU核心中，有了数据的“内存可见性问题

🔊  来看一个实例：

该代码中有两个线程，线程1进行循环操作，线程2控制线程1的循环。希望达到 “ 当用户输入非0数字时，线程1退出循环，退出进程” 的效果

import java.util.Scanner;

public class demo3 {
    public static int flag=0;
    public static void main(String[] args) {
        Thread thread1=new Thread(()->{
            while(flag==0){
                //执行循环,循环内部什么都不做
            }
            //一旦退出循环，打印循环结束
            System.out.println("循环结束");
        });
        thread1.start();

        Thread thread2=new Thread(()->{
            //让用户输入一个非0数字退出循环
            System.out.println("请输入一个非0数字，退出线程1的循环:");
            Scanner scanner=new Scanner(System.in);
            flag=scanner.nextInt();
        });

        thread2.start();
    }
}

代码结果：当用户输入非0数字时，进程并没有结束

原因分析：

线程1不断地进行读取/判断数据

由于从主内存中读取数据的过程耗费的时间>从工作内存(寄存器等)中读取数据的时间，当多次循环判断，操作系统/jvm编辑器发现每次写回主内存的数据并没有修改过的时候，就会进行优化：  既然反复读内存读到的数据都一样，干脆将读到的值存到寄存器中，下次直接读寄存器就好了。

于是经过优化后，线程1不再进行重复读。

麻烦的事儿来了！如果此时的线程2对主内存中的数据进行了修改，线程1就没办法感受到主内存中数据的变化。这就是内存可见性问题。

三、使用volatile解决问题

内存可见性问题本质上是操作系统/jvm对计算过程优化后带来的问题，我们在待修改的变量前使用volatile，其实相当于显示的禁止了这种优化。

在待修改的变量前加上 volatile ，是给这个相应的变量加上了“内存屏障”（特殊的二进制指令）。jvm在读取这个变量的时候，由于内存屏障的存在，就知道每次都需要重新从主内存中读取数据而不是草率的进行优化。

对刚刚的实例进行修改， 只需要在变量前增加volatile关键字：

 这一次，当我们输入非0数字的时候，进程就如我们所愿结束了...

不过：

如果我们在线程1的循环内存加上个sleep，编辑器好像就不会优化了，程序也能如愿结束。编辑器的优化是个玄学问题，什么时候会优化我们无从确定。为了保险起见，有必要的时候我们还是加上volatile吧 ~