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面试官:volatile如何保证可见性的,具体如何实现?

写在开头

在之前的几篇博文中,我们都提到了 volatile 关键字,这个单词中文释义为:不稳定的,易挥发的,在Java中代表变量修饰符,用来修饰会被不同线程访问和修改的变量,对于方法,代码块,方法参数,局部变量以及实例常量,类常量多不能进行修饰。

自JDK1.5之后,官网对volatile进行了语义增强,这让它在Java多线程领域越发重要!因此,我们今天就抽一晚上时间,来学一学这个关键字,首先,我们从标题入手,思考这样的一个问题:

volatile如何保证可见性,具体如何实现的?

带着疑问,我们继续往下阅读!

volatile如何保证可见性

==volatile保证了不同线程对共享变量进行操作时的可见性,即一个线程修改了共享变量的值,共享变量修改后的值对其他线程立即可见。==

我们先通过之前写的一个小案例来感受一下什么是可见性问题:

【代码示例1】

public class Test {
    //是否停止 变量
    private static boolean stop = false;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //启动线程 1,当 stop 为 true,结束循环
        new Thread(() -> {
            System.out.println("线程 1 正在运行...");
            while (!stop) ;
            System.out.println("线程 1 终止");
        }).start();
        //休眠 1 秒
        Thread.sleep(1000);
        //启动线程 2, 设置 stop = true
        new Thread(() -> {
            System.out.println("线程 2 正在运行...");
            stop = true;
            System.out.println("设置 stop 变量为 true.");
        }).start();
    }
}

输出:

线程 1 正在运行...
线程 2 正在运行...
设置 stop 变量为 true.

原因: 我们会发现,线程1运行起来后,休眠1秒,启动线程2,可即便线程2把stop设置为true了,线程1仍然没有停止,这个就是因为 CPU 缓存导致的可见性导致的问题。线程 2 设置 stop 变量为 true,线程 1 在 CPU 1上执行,读取的 CPU 1 缓存中的 stop 变量仍然为 false,线程 1 一直在循环执行。 在这里插入图片描述 那这个问题怎么解决呢?很好解决!我们排volatile上场可以秒搞定,只需要给stop变量加上volatile修饰符即可!

【代码示例2】

//给stop变量增加volatile修饰符
private static volatile boolean stop = false;

输出:

线程 1 正在运行...
线程 2 正在运行...
设置 stop 变量为 true.
线程 1 终止

从结果中看,线程1成功的读取到了线程而设置为true的stop变量值,解决了可见性问题。那volatile到底是什么让变量在多个线程之间保持可见性的呢?请看下图! 在这里插入图片描述 如果我们将变量声明为 volatile ,这就指示 JVM,这个变量是共享且不稳定的,每次使用它都到主存中进行读取,具体实现可总结为5步。

  • 1️⃣在生成最低成汇编指令时,对volatile修饰的共享变量写操作增加Lock前缀指令,Lock 前缀的指令会引起 CPU 缓存写回内存;
  • 2️⃣CPU 的缓存回写到内存会导致其他 CPU 缓存了该内存地址的数据无效;
  • 3️⃣volatile 变量通过缓存一致性协议保证每个线程获得最新值;
  • 4️⃣缓存一致性协议保证每个 CPU 通过嗅探在总线上传播的数据来检查自己缓存的值是不是修改;
  • 5️⃣当 CPU 发现自己缓存行对应的内存地址被修改,会将当前 CPU 的缓存行设置成无效状态,重新从内存中把数据读到 CPU 缓存。

总结

其实volatile关键字不仅仅能解决可见性问题,还可以通过禁止编译器、CPU 指令重排序和部分 happens-before 规则,解决有序性问题,我们放在下一篇聊。

结尾彩蛋

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