并发编程之volatile与JMM多线程内存模型

2022 年 5 月 12 日
筆記
JAVA

一、通过程序看现象

在开始为大家讲解Java 多线程缓存模型之前，我们先看下面的这一段代码。这段代码的逻辑很简单：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。两个线程使用到了一个共享变量shareFlag，初始值为false。如果shareFlag一直等于false，线程1将一直处于死循环状态，所以我们在线程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则一直死循环
        //System.out.println("shareFlag=" + shareFlag);
      }
      System.out.print("线程1执行完成 =>");
    }).start();

    Thread.sleep(2000);

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

}

如果你没有学过JMM线程模型，可能你看完上面的代码，希望得到的输出结果是下面这样的：

开始执行线程1 =>开始执行线程2 =>线程2执行完成 =>线程1执行完成=>

如下图所示，正常人理解这段代码，首先执行线程1进入循环，线程2修改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执行完成=>”，但是经过笔者实验，“线程1执行完成=>”不会被打印，线程1也没有跳出死循环，这是为什么呢？

二、为什么会产生这种现象（JMM模型）？

要解释上面提到的问题，我们就需要学习JMM(Java Memory Model)Java 内存模型，笔者觉得叫做Java多线程内存模型更准确一些。

首先，在JMM中每个线程有自己的工作内存，在程序启动的时候，线程将共享变量加载(read&load)到自己的工作内存中，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副本。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副本修改为shareFlag=true，同时将副本的值同步写回(store&write)到主内存中。
但是线程1的工作内存中的shareFlag=false没有发生变化，所以线程1一直处于死循环之中。

三、MESI 缓存一致性协议

按照上文的实验以及JMM模型，线程2修改的共享变量的值，线程1感知不到。那怎么样才能让线程1感知到共享变量的值发生了变化呢？其实也很简单，给shareFlag共享变量加上volatile关键字就可以了。

public volatile static boolean shareFlag = false;

其底层原理是这样的，加上volatile关键字提示JMM遵循MESI 缓存一致性协议，该协议包含如下的缓存使用规范（看不懂可以不看，下文会用简单的语言及例子描述一下）。

Modified：代表当前Cache行的数据是修改过的(Dirty)，并且只在当前CPU的Cache中是修改过的；此时该Cache行的数据与其他Cache中的数据不同，与内存中该行的数据也不同。
Exclusive：代表当前Cache行的数据是有效数据，其他CPU的Cache中没有这行数据；并且当前Cache行数据与内存中的数据相同。
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一致；
Invalid：表示当前Cache行中的数据无效；

上文中的缓存使用规范可能过于复杂，简单的说就是

当线程2修改shareFlag的时候（参考Modify），告知bus总线我修改了共享变量shareFlag，
线程1对Bus总线进行监听，当它获知共享变量shareFlag发生了修改就会将自己工作内存中的shareFlag副本删除使其失效。
当线程1再次需要使用到shareFlag的时候，发现工作内存中没有shareFlag变量副本，就会重新从主内存中加载(read&load)

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