併發編程之volatile與JMM多線程內存模型

一、通過程序看現象

在開始爲大家講解Java 多線程緩存模型之前,我們先看下面的這一段代碼。這段代碼的邏輯很簡單:主線程啓動了兩個子線程,一個線程1、一個線程2。線程1先執行,sleep睡眠2秒鐘之後線程2執行。兩個線程使用到了一個共享變量shareFlag,初始值爲false。如果shareFlag一直等於false,線程1將一直處於死循環狀態,所以我們在線程2中將shareFlag設置爲true

public class VolatileTest {

  public static boolean shareFlag = false;

  public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    new Thread(() -> {
      System.out.print("開始執行線程1 =>");
      while (!shareFlag){  //shareFlag = false則一直死循環
        //System.out.println("shareFlag=" + shareFlag);
      }
      System.out.print("線程1執行完成 =>");
    }).start();

    Thread.sleep(2000);

    new Thread(() -> {
      System.out.print("開始執行線程2 =>");
      shareFlag = true;
      System.out.print("線程2執行完成 =>");
    }).start();
  }

}

如果你沒有學過JMM線程模型,可能你看完上面的代碼,希望得到的輸出結果是下面這樣的:

開始執行線程1 =>開始執行線程2 =>線程2執行完成 =>線程1執行完成=>

如下圖所示,正常人理解這段代碼,首先執行線程1進入循環,線程2修改shareFlag=true,線程1跳出循環。所以跳出循環的線程1會打印"線程1執行完成=>",但是經過筆者實驗,"線程1執行完成=>"不會被打印,線程1也沒有跳出死循環,這是爲什麼呢?

二、爲什麼會產生這種現象(JMM模型)?

要解釋上面提到的問題,我們就需要學習JMM(Java Memory Model)Java 內存模型,筆者覺得叫做Java多線程內存模型更準確一些。

  • 首先,在JMM中每個線程有自己的工作內存,在程序啓動的時候,線程將共享變量加載(read&load)到自己的工作內存中,加載到線程工作內存中的內存變量是主內存中共享變量的副本。也就是說此時shareFlag在內存中有三份,值都等於false。
  • 當線程2執行shareFlag=true的時候將其工作內存副本修改爲shareFlag=true,同時將副本的值同步寫回(store&write)到主內存中。
  • 但是線程1的工作內存中的shareFlag=false沒有發生變化,所以線程1一直處於死循環之中

三、MESI 緩存一致性協議

按照上文的實驗以及JMM模型,線程2修改的共享變量的值,線程1感知不到。那怎麼樣才能讓線程1感知到共享變量的值發生了變化呢?其實也很簡單,給shareFlag共享變量加上volatile關鍵字就可以了。

public volatile static boolean shareFlag = false;

其底層原理是這樣的,加上volatile關鍵字提示JMM遵循MESI 緩存一致性協議,該協議包含如下的緩存使用規範(看不懂可以不看,下文會用簡單的語言及例子描述一下)。

  1. Modified:代表當前Cache行的數據是修改過的(Dirty),並且只在當前CPU的Cache中是修改過的;此時該Cache行的數據與其他Cache中的數據不同,與內存中該行的數據也不同。
  2. Exclusive:代表當前Cache行的數據是有效數據,其他CPU的Cache中沒有這行數據;並且當前Cache行數據與內存中的數據相同。
  3. Shared:代表多個CPU的Cache中均緩存有這行數據,並且Cache中的數據與內存中的數據一致;
  4. Invalid:表示當前Cache行中的數據無效;

上文中的緩存使用規範可能過於複雜,簡單的說就是

  • 當線程2修改shareFlag的時候(參考Modify),告知bus總線我修改了共享變量shareFlag,
  • 線程1對Bus總線進行監聽,當它獲知共享變量shareFlag發生了修改就會將自己工作內存中的shareFlag副本刪除使其失效。
  • 當線程1再次需要使用到shareFlag的時候,發現工作內存中沒有shareFlag變量副本,就會重新從主內存中加載(read&load)

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