java多线程在单核CPU上还需要volatile吗

volatile中难以理解的问题

其实还有一个类似的问题： 为什么有了MESI还需要volatile呢？
为什么会想到这个问题， 因为我们平时是拿JMM来类比计算机的内存模型的， 下面两张图从结构上来说是非常类似的。

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所以我们很自然可以把本地内存类比为物理机上的高速缓存， 那么这两者是否等同呢？ 这就涉及到题目里的问题了， 在知乎上找到了一份高票答案， 写的和我最初的想法是一样的。

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解释的很有道理， 不过总归还是得需要验证一下的， 那么我们就开启了一台虚拟机设置为单核， 在它上边跑一个程序， 来验证一下是不是java虚拟机中不同的线程操作同一个变量， 变量会直接保存在L1 cache里让不同线程共享。

public class demo {

    public  boolean isShutdown;

    public boolean getShutdown () {
        return isShutdown;
    }

    public void shutdown () {
        isShutdown = true;
    }

    public class ReaderThread extends Thread{
        @Override
        public void run() {
            try {
                System.out.println("开始循环");
                while(!isShutdown){
                    
                }

                System.out.println("循环结束");
            }catch (Exception e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    public class WatchThread extends Thread{
        @Override
        public void run() {
            try {
                shutdown();
            }catch (Exception e){

            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        try {
            demo demoController = new demo();
            demoController.new ReaderThread().start();
            //让线程沉睡一秒，确保另一个线程进来时，此线程已经进入循环
            Thread.sleep(1000);
            demoController.new WatchThread().start();
            //此处让线程沉睡1s,确保watchThread中shutDown方法对变量的修改同步到主内存中
            Thread.sleep(1000);
            //打印变量的值
            System.out.println("isShutdown---");
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }
    }


}

结果循环结束四个字永远不会打印， 显然在这台虚拟机上并不具备天然的内存可见性，我们大概可以得出这样的结论， JAVA的内存模型至少和物理机的内存模型不是一一对应的。 插播一下, 最开始的时候代码在ReaderThread中循环体内部写了

              System.out.println("开始循环");
              while(!isShutdown){
                  System.out.println(isShutdown);
              }

              System.out.println("循环结束");

结果循环结束打印出来了， 后来发现System.out操作是个线程安全的， 它会把数据刷回主存， 所以在这里打印的时候会影响最后结果。
我们再来看一下知乎的高票答案， 它写的都挺对的， 但是唯独忽略了JMM的存在， 理论上来说JMM又对CPU的内存模型进行了抽象， 为了满足JMM的需要， 屏蔽底层硬件差别， 最终实现同一份代码在各个机器都能跑。 我们可以认为JMM会给开发者一种一致的体验。 如果我们在单核CPU上测试通过的代码放在多核CPU上失败了， 显然不符合其理念， 所以我们在考虑这个问题的时候不能排除JMM的影响。
再来看《深入理解JAVA虚拟机》这本书上的内容：
从变量、主内存、工作内存的定义来看， 主内存主要对应于java堆中的对象实例数据部分， 而工作内存则对应于虚拟机栈中的部分区域。从更低层次上说， 主内存就直接对应于物理硬件的内存， 而为了获取更好的运行速度， 虚拟机可能会让工作内存优先存储于寄存器和高速缓存中， 因为程序运行时主要访问读写的是工作内存。

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对应关系大概是这样， 所以我们大概可以这么理解， JMM为了实现本地内存相互不可见， 哪怕是单核CPU也虚拟出了类似多核的结构。

同样的道理， 我们也可以回答为什么有了MESI还需要volatile呢？
MESI只解决了CPU缓存的可见性问题，JVM自己维护的内存模型中也有可见性问题（JAVA内存模型中的工作内存自身不保证可见性）。使用volatile做标记，可以解决JVM层面的可见性问题。

volatile是如何实现的

下面这段话摘自《深入理解Java虚拟机》：

“观察加入volatile关键字和没有加入volatile关键字时所生成的汇编代码发现，加入volatile关键字时，会多出一个lock前缀指令”

lock前缀指令实际上相当于一个内存屏障（也成内存栅栏），内存屏障会提供3个功能：

1）它确保指令重排序时不会把其后面的指令排到内存屏障之前的位置，也不会把前面的指令排到内存屏障的后面；即在执行到内存屏障这句指令时，在它前面的操作已经全部完成；

2）它会强制将对缓存的修改操作立即写入主存；

3）如果是写操作，它会导致其他CPU中对应的缓存行无效。