并发编程之volatile与JMM多线程内存模型

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?

并发编程之volatile与JMM多线程内存模型_第1张图片

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。

并发编程之volatile与JMM多线程内存模型_第2张图片

  • 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)。

  1. 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。
  2. 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。
  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一致;
  4. Invalid:表示当前Cache行中的数据无效;

并发编程之volatile与JMM多线程内存模型_第3张图片

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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