Java并发之volatile关键字内存可见性问题

Java并发之volatile关键字内存可见性问题

线程之间数据共享案例

我们先来看一个场景：

Main函数启动后，调用一个线程向list中添加数据。List的size为5的时候，设置变量flag为true.然后，主线程根据flag的值进行其他操作。

代码如下：

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运行结果：

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我们发现，当子线程输出flag为ture后，主线程也没有输出=====。

这是为什么呢？

线程在内存中运行简图

我们来看看上面程序在内存中怎么运行的

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运行说明：

当程序运行的时候，先从main函数，主线程开始的，main线程先将flag=false 复制到自己程序的内存中;

这个时候开启了子线程，子线程同样将flag=false复制到自己程序内存中，在执行自己内部代码后，修改了flag的值，回写到主内存中(相对于程序自己的内存来说，内存中的数据是主内存。程序自己的内存其实就是复制了一份主内存的数据)。

如下图：

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因为main线程没有刷新，没有从主线程获取最新的flag的值。所以，控制台上始终不能输出===。

结果分析

那么为什么会出现这种情况呢？【这里就需要知道两个概念：编译器和寄存器】

那是因为编译器会自动优化的结果。

编译器优化：在线程内，当读取到一个变量的时候，为了提高读写(存取)的速度，编译器在优化的时候，会先把变量读取到一个寄存器(对应上图子线程自己的内存或者是main线程自己的内存)中；以后在取这个变量的时候，就直接从寄存器中获取了;

当变量的值在本线程里面改变的时候，会同时把变量的新值同步到该寄存器中，以便保持一致；同时JVM就会向处理器发送一条指令，将这个变量所在的寄存器的值回写到系统内存(对应上图中的主内存)中。

造成数据不一致的原因：

当变量再因为别的其他线程操作而改变了值，该寄存器的值不会相应的改变，从而造成应用程序读取的值和实际的变量值不一致(如上图案例中，子线程修改了flag的值，但不会修改main线程寄存器里面的值。这个是站在变量角度来说的)；

或者当该寄存器再因为别的其他线程改变了变量的值，原来变量的值不会改变，从而造成了应用程序读取的值和实际的变量值不一致(这个是从寄存器角度来说的。如上图案例中，main线程的寄存器里面是false，但是子线程已经修改成了ture).

从上面案例中，我们发现无论是主线程main函数还是子线程thread都是对变量flag进行操作的。这个时候，我们就说变量flag是线程之间共享数据了。而主内存(也就是系统内存非程序自己需要的内存)flag变量对所有共享这个变量的线程来说，都应该是可见的才可以。

那么这个时候，在Java中怎么实现线程之间共享数据的内存可见性呢？这里就是我们今天需要讲解的关键字：volatile。【ps:还有其他方案可以解决，如同步锁】

Volatile关键字

Volatile中文意思：易变的;不稳定的

Volatile关键字是一种类型修饰符，用它来声明的变量表示不可以别编译器未知因素更改。当编译器在编译过程中，遇到这个关键字声明的变量的时候，便一切都会对访问该变量的代码不再进行优化，从而可以提供特殊的地址来保证稳定访问。

通俗理解：当JVM遇到该关键字修饰的变量的时候，就会不允许编译器和处理器对指令序列进行重排(默认为了优化性能，JVM允许编译器和处理器对指令序列进行重排的)。

JVM对编译器指定的volatile规则表：

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我们将flag用volatile修饰后，在运行程序，查看运行后结果：

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我们可以看到，主线程输入了===，子线程也输出了当前标记为true。说明volatile起作用了。

Volatile和Synchronized 关键字的区别

1：Volatile是轻量级的同步策略；Synchronized是重量级的；

2：volatile不具备互斥性的，Synchronize是互斥的；

3：volatile不能够保证变量的原子性。

Volatile的使用场景

必备条件

在使用volatile的时候需要满足以下两个条件：

1：对变量的写操作不能依赖于当前的值。

比如上文中flag的值修改成true的时候，不受当前flag值的影响

2：该变量不能被包含在具有其他变量的不变式中。

比如int i ;y=i+1;这种情况不允许的。这个变量不能被其他变量作为不变式用。

只有在状态真正的独立于程序内其他内容的时候才可以使用volatile.

适用于场景一：状态标志

场景二：开销较低的读－写锁策略

场景三：单例中的双重校验

总结

Volatile可以解决多线程操作共享数据时候解决内存可见性问题。

简单理解：被volatile修饰的变量，编译器不会去优化调用该变量的程序(也就是不会把变量放到调用程序的寄存器中)，程序调用的时候都是实时从主内存中获取到最新的数据。

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