1.说说你对 volatile 的理解?

首先,给大家上一张图,咱们来一起看看:
image.png

如上图,这张图说的是 java 内存模型中,每个线程有自己的工作内存,同时还有一个共享的主内存。

举个例子,比如说有两个线程,他们的代码里都需要读取 data 这个变量的值,那么他们都会从主内存里加载 data 变量的值到自己的工作内存,然后才可以使用那个值。

好了,现在大家从图里看到,每个线程都把 data 这个变量的副本加载到了自己的工作内存里了,所以每个线程都可以读到 data = 0 这个值。

这样,在线程代码运行的过程中,对 data 的值都可以直接从工作内存里加载了,不需要再从主内存里加载了。

那问题来了,为啥一定要让每个线程用一个工作内存来存放变量的副本以供读取呢?我直接让线程每次都从主内存加载变量的值不行吗?

很简单!因为线程运行的代码对应的是一些指令,是由 CPU 执行的!但是 CPU 每次执行指令运算的时候,也就是执行我们写的那一大坨代码的时候,要是每次需要一个变量的值,都从主内存加载,性能会比较差!

所以说后来想了一个办法,就是线程有工作内存的概念,类似于一个高速的本地缓存。

这样一来,线程的代码在执行过程中,就可以直接从自己本地缓存里加载变量副本,不需要从主内存加载变量值,性能可以提升很多!

但是大家思考一下,这样会有什么问题?

我们来设想一下,假如说线程 1 修改了 data 变量的值为 1,然后将这个修改写入自己的本地工作内存。那么此时,线程 1 的工作内存里的 data 值为 1。

然而,主内存里的 data 值还是为 0!线程 2 的工作内存里的 data 值还是 0 啊?!
image.png

这可尴尬了,那接下来,在线程 1 的代码运行过程中,他可以直接读到 data 最新的值是 1,但是线程 2 的代码运行过程中读到的 data 的值还是 0!

这就导致,线程 1 和线程 2 其实都是在操作一个变量 data,但是线程 1 修改了 data 变量的值之后,线程 2 是看不到的,一直都是看到自己本地工作内存中的一个旧的副本的值!

这就是所谓的 java 并发编程中的可见性问题:

多个线程并发读写一个共享变量的时候,有可能某个线程修改了变量的值,但是其他线程看不到!也就是对其他线程不可见!

2.volatile 的作用及背后的原理

那如果要解决这个问题怎么办呢?这时就轮到 volatile 闪亮登场了!你只要给 data 这个变量在定义的时候加一个 volatile,就直接可以完美的解决这个可见性的问题。

比如下面的这样的代码,在加了 volatile 之后,会有啥作用呢?

public class Helloworld{
   private volatile int data =0;
   //线程1会读取和修改data变量值
   
   //线程2会读取data变量值
}

我们这里说说最关键的几个作用是啥?

  1. 一旦 data 变量定义的时候前面加了 volatile 来修饰的话,那么线程 1 只要修改 data 变量的值,就会在修改完自己本地工作内存的 data 变量值之后,强制将这个 data 变量最新的值刷回主内存,必须让主内存里的 data 变量值立马变成最新的值!
    整个过程,如下图所示:
    image.png
  2. 如果此时别的线程的工作内存中有这个 data 变量的本地缓存,也就是一个变量副本的话,那么会强制让其他线程的工作内存中的 data 变量缓存直接失效过期,不允许再次读取和使用了!
    整个过程,如下图所示:
    image.png
  3. 如果线程 2 在代码运行过程中再次需要读取 data 变量的值,此时尝试从本地工作内存中读取,就会发现这个 data = 0 已经过期了!此时,他就必须重新从主内存中加载 data 变量最新的值!那么不就可以读取到 data = 1 这个最新的值了!
    整个过程,如下图所示:
    image.png

bingo!好了,volatile 完美解决了 java 并发中可见性的问题!

对一个变量加了 volatile 关键字修饰之后,只要一个线程修改了这个变量的值,立马强制刷回主内存。

接着强制过期其他线程的本地工作内存中的缓存,最后其他线程读取变量值的时候,强制重新从主内存来加载最新的值!

这样就保证,任何一个线程修改了变量值,其他线程立马就可以看见了!这就是所谓的 volatile 保证了可见性的工作原理!

3.总结 & 提醒

volatile 主要作用是保证可见性以及有序性。
volatile 是不能保证原子性的!
也就是说,volatile 主要解决的是一个线程修改变量值之后,其他线程立马可以读到最新的值,是解决这个问题的,也就是可见性!

但是如果是多个线程同时修改一个变量的值,那还是可能出现多线程并发的安全问题,导致数据值修改错乱,volatile 是不负责解决这个问题的,也就是不负责解决原子性问题!

原子性问题,得依赖 synchronized、ReentrantLock 等加锁机制来解决。

以上文献均转自石杉老师架构课程!!!


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