Java並發編程之volatile與JMM多線程內存模型

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一、通過程序看現象

在開始為大傢講解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：主線程啟動瞭兩個子線程，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。兩個線程使用到瞭一個共享變量shareFlag，初始值為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設置為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**，這是為什麼呢？

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二、為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。

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  • 首先，在JMM中每個線程有自己的工作內存，在程序啟動的時候，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在內存中有三個副本，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為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瞭變化呢？其實也很簡單，給shareFlag共享變量加上volatile關鍵字就可以瞭。

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范（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)，並且隻在當前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中都會緩存有這行數據，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；

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上文中的緩存使用規范可能過於復雜，簡單的說就是

  • 當線程2修改shareFlag的時候（參考Modify），告知bus總線我修改瞭共享變量shareFlag，
  • 線程1對Bus總線進行監聽，當它獲知共享變量shareFlag發生瞭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)

到此這篇關於Java並發-volatile與JMM多線程內存模型的文章就介紹到這瞭,更多相關java多線程內存模型內容請搜索LevelAH以前的文章或繼續瀏覽下面的相關文章希望大傢以後多多支持LevelAH！

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