MESI协议和Volatile关键字（解决多线程下变量更新不同步问题）

多线程下变量更新不同步问题

测试一个通过修改while循环中标志位来结束一个线程的方法。使while循环中的内容为空，启动线程，线程死循环。当我们在主线程里把标志位flag置为false时，发现线程没有结束（即循环没有退出）。代码如下：

public class Test {
        boolean flag=true;
	    public static void main(String[] args){
	    	Test test = new Test();
	    	test.demo();
	    }	
	    public void demo(){
	    	Thread t1 = new Thread(){	    		
		    		public void run()  //重写run方法
		    		{
		    			while(flag==true)  
		    			{			    		
		    			}
		    			System.out.println("线程结束了。。。。。。。。");
		    		}		
	    	};	    	
	    	t1.start();
	    	try {
				Thread.sleep(10);
			} catch (InterruptedException e) {
				// TODO Auto-generated catch block
				e.printStackTrace();
			}
            flag=false;
	    }	
}

理论上在修改flag后线程会离开循环并输出结束语句，但是没有。当我在while循环中加上一些执行内容后，便可以正常退出。为什么会有这样的现象发生并且如何去解决这个问题呢？
答案是：只要在变量的定义处加上volatile关键字就可以实现变量更新的同步。

MESI协议和volatile关键字

CPU的运算速度是远远大于CPU和主存之间的数据读写速度的，CPU中存在高速缓存（可以有多级），CPU可以和高速缓存之间进行高速的数据读写操作。比如要执行i=i+1这个语句，CPU会先向主存中读取i变量的数值，存入自己的高速缓存中，然后对i变量进行加一操作，写到高速缓存，最后再刷新到主存中。当对运算的要求比较高的时候，CPU会对高速缓存中的数据进行一系列操作后统一刷回主存，这就可以解释我们上面看到的现象了，为什么CPU中flag值没有被更新为false，在线程读取flag=true值到高速缓存中后，就在while循环中不断轮询这个变量值，因为我们这次没有加上打印语句（打印语句的执行时间是比较长的），为了保证读取的高效，CPU保持和其高速缓存进行交互，而没有重新去主存中读取新值（虽然主存中的值已经被修改了），循环就一直持续下去。
CPU和主存交互示意图：

我们在变量的定义处加上了volatile关键字，解决了这个问题，线程可以被结束。如：volatile boolean flag=true;
为什么呢？我们继续上面关于CPU和主存的讨论。多CPU单主存以及多线程并发访问主存会导致变量的不同步，这里我们称它为缓存一致性问题，只有解决了这个问题，才能实现在多线程并发访问的时候高效无误。
解决缓存一致性问题的方法：
一种方案是对总线加锁，使得每一时刻只能有一个CPU对总线进行访问，确保它对数据操作完之后再释放锁，允许别的CPU通过总线访问主存，这种方案实现了操作的原子性，但它会使得当一个CPU运作时别的CPU处于闲置状态，效率很低。现在广泛采用的方案是Intel的MESI协议，解决了缓存一致性问题并实现了高效。
MESI协议：
1、M（修改）：当某CPU中的缓存条被修改后（和主存中的内容不一致），其他CPU中的相应缓存条会失效，如果有别的CPU需要访问该缓存条中的内容，则需要此修改后的缓存条把数据刷新到主存，然后把模式切换到共享（S）。
2、E（独享）：当某CPU中缓存条的内容和主存中的一致并且独享该缓存条的时候，有别的CPU需要访问该资源，那么只要把模式切换到共享（S）就可以了。
3、S（共享）：在这个模式下，任意CPU都可以访问此模式的缓存条中的数据，之后切换到相应模式就可以了。
4、I（无效）：此状态下的缓存条无效。
MESI协议规定了缓存条的状态，从而实现了缓存一致性原则，在多CPU及多线程的访问下，保证了数据的同步。
而volatile关键字就是对于这个协议的一种应用，加上它之后，在主线程中修改了flag的值，程序就会告诉另一个线程该位置缓存条已经失效，要求其从主存中重新读取flag值，从而退出了循环。
volatile关键字实现了并发编程的两大要素，这里简单介绍一下：
1、可见性：保证在多线程的情况下，某一变量对于多个线程来说都是“可见”的，这里的可见指的是当一个线程对变量修改之后，别的线程可以立刻知道，这实现了变量的同步。
2、有序性：我们一般会认为程序的执行是逐上至下有序执行的，其实不然，由于java代码功能不同（处理的寄存器不同），为了提高效率，java会把具有相同功能的指令归类起来执行，减少不同类别指令之间的切换，从而提高流水线作业的效率，当然，这会保证程序执行的效果和顺序执行下的效果相同，但这仅限于单线程，在多线程中可能会出错，如以下伪代码：
线程1：
content=load();
flag=true;
线程2：
while(flag==false)
Thread.Sleep(100)；
do something with content…
在线程1中，两条语句没有直接的逻辑关系，有可能交换顺序执行。但是到了线程2，如果在线程1未加载数据的情况下就把标志位置true引发线程2对数据的操作，就会出错。这时如果在flag的定义处加上volatile关键字，就可以避免重排。因为加了volatile关键字的变量就像是一个屏障，它下面的指令不能到它上面，它上面的指令也不能到它的下面，保证了有序性。
**注：**并发编程另外一大重要的特性是原子性，volatile关键字不能保证。
原子性：每个线程对该变量的操作都是原子的，原子操作是指，某个操作要不不执行，要不就一口气执行完并且保证不会被打断。原子操作我们在低层一般通过synchronize关键字来实现，用锁的机制来确保在执行这段程序的时候不会被干扰，同时这也体现了可见性，因为这是原子操作，执行完别的线程就会知道。volatile在执行类似：i++这样的指令时，需要经历加载变量，修改变量，在主存中更新变量这几步，不是原子操作，中间是可能被打断的。如果把i++放在synchronize关键字修饰的方法体中（加锁），就可以把它变成原子性操作。
说了很多，我们最后再回到最初的例子：volatile关键字实现了MESI协议，保证了多CPU（或多线程）对变量修改符合缓存一致性原则，加上volatile关键字后，确保了多线程对变量修改的可见性，在一处修改变量后，另一处就要重新对变量进行读取，也就实现了线程的退出。