Java内存可见性volatile

概述

JMM规范指出，每一个线程都有自己的工作内存（working memory）,当变量的值发生变化时，先更新自己的工作内存，然后再拷贝到主存（main memory）,这样其他线程就能读取到更新后的值了。

注意：工作内存和主存是JMM规范里抽象的概念，在JVM的内存模型下，可以将CPU缓存对应作线程工作内存，将JVM堆内存对应主存。

写线程更新后的值何时拷贝到主存？读线程何时从主存中获取变量的最新值？hotspotJVM中引入volatile关键字来解决这些问题，当某个变量被volatile关键字修饰后，多线程对该变量的操作都将直接在主存中进行。在CPU时钟顺序上，某个写操作执行完成后，后续的读操作一定读取的都是最新的值。

内存可见性带来的问题

如下代码片段，写线程每隔1秒递增共享变量counter，读线程是个死循环，如果读线程始终能读取到counter的最新值，那么最终的输出应该是 12345。

public class App {
    // 共享变量
    static int counter = 0;

    public static void main(String[] args) {
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            int temp = 0;
            while (true) {
                if (temp != counter) {
                    temp = counter;
                    // 打印counter的值，期望打印 12345
                    System.out.print(counter);
                }
            }
        });

        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                counter++;
                // 等待1秒，给读线程足够的时间读取变量counter的最新值
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }

            // 退出程序
            System.exit(0);
        });

        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}

在没有volatile的情况下，实际的输出结构如下：

1

Process finished with exit code 0

通过volatile解决问题

将共享变量用volatile关键字修饰即可，如下：

// 共享变量
static volatile int counter = 0;

再次执行程序，输出结果如下：

12345

Process finished with exit code 0

综上，volatile关键字使得各个线程对共享变量的操作变得一致。在非volatile字段上做更新操作时，无法保证其修改后的值何时从工作内存（CPU缓存）刷新到主存。对于非volatile字段的读操作也是如此，无法保证线程何时从主存中读取最新的值。

volatile无法保证线程安全性

如下代码片段，多个线程同时递增一个计数器：

public class App {
    // 共享变量
    static volatile int counter = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                counter++;
            }
        });

        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                counter++;
            }
        });

        thread1.start();
        thread2.start();
        thread1.join();
        thread2.join();

        System.out.println("总和：" + counter);
    }

输入结果：

总和：12374

如果volatile能保证线程安全，那么输出结果应该是20000，但上面的代码输出12374，所以说，volatile不能解决线程安全（thread）的问题。

所以，还是要通过其他手段来解决多线程安全的问题，比如synchronized。

volatile和synchronized的区别

在上述的代码示例中，我们并没有涉及到多线程竞态（race condition）的问题，核心点是“多线程情况下，对共享变量的写入如何被其他线程及时读取到”。

synchronized关键字是Java中最常用的锁机制，保证临界区（critical section）中的代码在同一个时间只能有一个线程执行，临界区中使用的变量都将直接从主存中读取，对变量的更新也会直接刷新到主存中。所以利用synchronized也能解决内存可见性问题。

代码如下：

public class App {
    // 共享变量
    static int counter = 0;

    public static void main(String[] args) {
        // 读取变量的线程
        Thread readThread = new Thread(() -> {
            int temp = 0;
            while (true) {
                synchronized (App.class) {
                    if (temp != counter) {
                        temp = counter;
                        // 打印counter的值，期望打印 12345
                        System.out.print(counter);
                    }
                }
            }
        });

        // 修改变量的线程
        Thread writeThread = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                synchronized (App.class) {
                    counter++;
                }

                // 等待1秒，给读线程足够的时间读取变量counter的最新值
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }

            System.exit(0);
        });

        readThread.start();
        writeThread.start();
    }
}

运行，输入结果：

12345

Process finished with exit code 0

虽然通过synchronized也能解决内存可见性的问题，但是这个解决方案也带来了其他问题，比如性能会比较差。

总结

多线程可以提升程序的运行速度，充分利用多核CPU的算力，但多线程也是“恶魔”，会给程序员带来很多问题，比如本文中的内存可见性问题。volatile可以使变量的更新及时刷新到主存，变量的读取也是直接从主存中获取，保证了数据的内存一致性。但是volatile不是用来解决线程安全问题的，无法替代锁机制。

参考：

[1] Java Memory Model - Visibility problem, fixing with volatile variable

[2] Guide to the Volatile Keyword in Java

[3] Managing volatility

[4] Java Volatile Keyword

[5] Thread and Locks