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第12章 volatile关键字的介绍（Java高并发编程详解：多线程与系统设计）

article 2025/1/26 15:11:47

1. 初识volatile关键字

这段程序分别启动了两个线程，一个线程负责对变量进行修改，一个线程负责对变量进行输出，根据本书第一部分的知识讲解，该变量就是共享资源(数据)，那么在多线程操作的情况下，很有可能会引起数据不一致等线程安全的问题。

import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class VoliateFoo {
    // init_value的最大值
    final static int MAX=5;
    // init_value的初始值
    static int init_value=0;

    public static void main(String[] args) {
        // 启动一个Reader线程，当发现local_value和init_value不同时，则输出init_value被修改的消息
        new Thread(
                ()->{
                    int localValue = init_value;
                    while(localValue < MAX ) {
                        if ( init_value != localValue ) {
                            System.out.printf("The init_value is updated to [%d]\n", init_value);
                            //
                            localValue = init_value;
                        }
                    }
                }
        ,"Reader").start();

        // 启动Updater线程，主要用于对init_value的修改，当local_value>=5的时候则退出生命周期
        new Thread(
                () -> {
                    int localValue = init_value;
                    while(localValue < MAX ) {
                        // 修改 init_value
                        System.out.printf("The init_value will be changed to [%d]\n", ++localValue);
                        init_value = localValue;

                        try {
                            TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }

                    }
                }
        ,"Updater").start();
    }
}

运行结果：

Connected to the target VM, address: '127.0.0.1:65218', transport: 'socket'
The init_value will be changed to [1]
The init_value will be changed to [2]
The init_value will be changed to [3]
The init_value will be changed to [4]
The init_value will be changed to [5]
Disconnected from the target VM, address: '127.0.0.1:65218', transport: 'socket'

static int init_value=0; 修改为 static volatile int init_value=0; 添加volatile关键字后运行结果如下：

Connected to the target VM, address: '127.0.0.1:65471', transport: 'socket'
The init_value will be changed to [1]
The init_value is updated to [1]
The init_value will be changed to [2]
The init_value is updated to [2]
The init_value will be changed to [3]
The init_value is updated to [3]
The init_value will be changed to [4]
The init_value is updated to [4]
The init_value will be changed to [5]
The init_value is updated to [5]
Disconnected from the target VM, address: '127.0.0.1:65471', transport: 'socket'

注意：volatile关键字只能修饰类变量和实例变量，对于方法参数、局部变量以及实例常量，类常量都不能进行修饰，比如上面代码中的MAX就不能使用volatile关键字进行修饰。

2.机器硬件CPU

2.1 CPU Cache模型

由于两边速度严重的不对等，通过传统FSB直连内存的访问方式很明显会导致CPU资源受到大量的限制，降低CPU整体的吞吐量，于是就有了在CPU和主内存之间增加缓存的设计，现在缓存的数量都可以增加到3级了，最靠近CPU的缓存称为L1，然后依次是L2，L3和主内存，CPU缓存模型如图所示。

Cache的出现是为了解决CPU直接访问内存效率低下问题的，程序在运行的过程中，会将运算所需要的数据从主存复制一份到CPUCache中，这样CPU进行计算时就可以直接对CPU Cache中的数据进行读取和写入，当运算结

束之后，再将CPU Cache中的最新数据刷新到主内存当中，CPU通过直接访问Cache的方式替代直接访问主存的方式极大地提高了CPU的吞吐能力，有了CPU Cache之后，整体的CPU和主内存之间交互的架构大致如图所示。

2.2 CPU缓存一致性问题

由于缓存的出现，极大地提高了CPU的吞吐能力，但是同时也引人了缓存不一致的问题，比如i++这个操作，在程序的运行过程中，首先需要将主内存中的数据复制一份存放到CPU Cache中，那么CPU寄存器在进行数值计算的时候就直接到Cache中读取和写人，当整个过程运算结束之后再将Cache中的数据刷新到主存当中，具体过程如下。

1) 读取主内存的i到CPU Cache中。

2)对i进行加一-操作。

3) 将结果写回到CPU Cache中。

4)将数据刷新到主内存中。

为了解决缓存不一致性问题，通常主流的解决方法有如下两种。

通过总线加锁的方式。
通过缓存一致性协议。

第一种方式常见于早期的CPU当中，而且是一种悲观的实现方式， CPU和其他组件的通信都是通过总线(数据总线、控制总线、地址总线)来进行的，如果采用总线加锁的方式，则会阻塞其他CPU对其他组件的访问，从而使得只有一个CPU(抢到总线锁) 能够访问这个变量的内存。这种方式效率低下，所以就有了第二种通过缓存一致性协议的方式来解决不一致的问题(见图)。

在缓存一致性协议中最为出名的是Intel的MESI协议， MESI协议保证了每一个缓存中使用的共享变量副本都是一致的，它的大致思想是，当CPU在操作Cache中的数据时，如果发现该变量是一个共享变量，也就是说在其他的CPU Cache中也存在一个副本，那么进行如下操作：

1) 读取操作，不做任何处理，只是将Cache中的数据读取到寄存器。

2) 写入操作，发出信号通知其他CPU将该变量的Cacheline置为无效状态，其他CPU在进行该变量读取的时候不得不到主内存中再次获取。

3. Java内存模型

Java的内存模型(Java Memory Mode， JMM) 指定了Java虚拟机如何与计算机的主存(RAM) 进行工作，如图所示，理解Java内存模型对于编写行为正确的并发程序是非常重要的。在JDK 1.5以前的版本中， Java内存模型存在着一定的缺陷，在JDK 1.5的时候，JDK官方对Java内存模型重新进行了修订， JDK 1.8及最新的JDK版本都沿用了JDK 1.5修订的内存模型。