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关于java:并发编程之volatile与JMM多线程内存模型

jiezi

一、通过程序看景象

在开始为大家解说 Java 多线程缓存模型之前，咱们先看上面的这一段代码。这段代码的逻辑很简略：主线程启动了两个子线程，一个线程 1、一个线程 2。线程 1 先执行，sleep 睡眠 2 秒钟之后线程 2 执行。两个线程应用到了一个共享变量 shareFlag，初始值为 false。如果 shareFlag 始终等于 false，线程 1 将始终处于死循环状态，所以咱们在线程 2 中将 shareFlag 设置为 true。

public class VolatileTest {

  public static boolean shareFlag = false;

  public static void main(String[] args) throws InterruptedException {new Thread(() -> {System.out.print("开始执行线程 1 =>");
      while (!shareFlag){  //shareFlag = false 则始终死循环
        //System.out.println("shareFlag=" + shareFlag);
      }
      System.out.print("线程 1 执行实现 =>");
    }).start();

    Thread.sleep(2000);

    new Thread(() -> {System.out.print("开始执行线程 2 =>");
      shareFlag = true;
      System.out.print("线程 2 执行实现 =>");
    }).start();}

}

如果你没有学过 JMM 线程模型，可能你看完下面的代码，心愿失去的输入后果是上面这样的：

开始执行线程 1 => 开始执行线程 2 => 线程 2 执行实现 => 线程 1 执行实现 =>

如下图所示，正常人了解这段代码，首先执行线程 1 进入循环，线程 2 批改 shareFlag=true，线程 1 跳出循环。所以跳出循环的线程 1 会打印 ” 线程 1 执行实现 =>”，然而通过笔者试验，“ 线程 1 执行实现 =>” 不会被打印，线程 1 也没有跳出死循环，这是为什么呢？

二、为什么会产生这种景象（JMM 模型）？

要解释下面提到的问题，咱们就须要学习 JMM(Java Memory Model)Java 内存模型，笔者感觉叫做 Java 多线程内存模型更精确一些。

  • 首先，在 JMM 中每个线程有本人的工作内存，在程序启动的时候，线程将共享变量加载 (read&load) 到本人的工作内存中，加载到线程工作内存中的内存变量是主内存中共享变量的正本。也就是说此时 shareFlag 在内存中有三份，值都等于 false。
  • 当线程 2 执行 shareFlag=true 的时候将其工作内存正本批改为 shareFlag=true，同时将正本的值同步写回(store&write) 到主内存中。
  • 然而线程 1 的工作内存中的 shareFlag=false 没有发生变化，所以线程 1 始终处于死循环之中。

三、MESI 缓存一致性协定

依照上文的试验以及 JMM 模型，线程 2 批改的共享变量的值，线程 1 感知不到。那怎么样能力让线程 1 感知到共享变量的值产生了变动呢？其实也很简略，给 shareFlag 共享变量加上 volatile 关键字就能够了。

public volatile static boolean shareFlag = false;

其底层原理是这样的，加上 volatile 关键字提醒 JMM 遵循 MESI 缓存一致性协定，该协定蕴含如下的缓存应用标准（看不懂能够不看，下文会用简略的语言及例子形容一下）。

  1. Modified：代表以后 Cache 行的数据是批改过的(Dirty)，并且只在以后 CPU 的 Cache 中是批改过的；此时该 Cache 行的数据与其余 Cache 中的数据不同，与内存中该行的数据也不同。
  2. Exclusive：代表以后 Cache 行的数据是无效数据，其余 CPU 的 Cache 中没有这行数据；并且以后 Cache 行数据与内存中的数据雷同。
  3. Shared：代表多个 CPU 的 Cache 中均缓存有这行数据，并且 Cache 中的数据与内存中的数据统一；
  4. Invalid：示意以后 Cache 行中的数据有效；

上文中的缓存应用标准可能过于简单，简略的说就是

  • 当线程 2 批改 shareFlag 的时候（参考 Modify），告知 bus 总线我批改了共享变量 shareFlag，
  • 线程 1 对 Bus 总线进行监听，当它获知共享变量 shareFlag 产生了批改就会将本人工作内存中的 shareFlag 正本删除使其生效。
  • 当线程 1 再次须要应用到 shareFlag 的时候，发现工作内存中没有 shareFlag 变量正本，就会从新从主内存中加载(read&load)

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