JUC 整理笔记二之聊聊 volatile

要想学好JUC，还得先了解 volatile 这个关键字。了解 volatile ，我们从一个例子开始吧。



本文不会很详细去说java内存模型，只是很简单地学习一下volatile



一个例子



package jfound.demo;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
public class TaskRunner {
    private static boolean ready = true;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        new Thread(() -> {
            while (ready) {
            }
        }).start();
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        ready = false;
    }
}



这个程序里面，新开一个线程，ready 初始化值为true, 线程里面是一个死循环，当 ready 修改为 false的时候，我们希望线程里面的死循环会结束，然后jvm会停止。



然后在这个例子里面，程序根本不会停止。但当 ready 被 volatile 关键字修饰的时候，程序符合我们预期，停止了。



....
private static volatile boolean ready = true;
...



CPU执行及缓存



CPU负责执行程序指令，但是他们需要从内存(RAM)中获取程序指令和所需要的数据。由于CPU每秒能执行大量的执行，如果每执行一次指令就从内存(RAM)中获取数据的话，显然是不够理想的，毕竟CPU与内存之间还是有一定的距离的。为了改善这种情况，CPU会有一系列的优化，例如指令重排序，当然，还有缓存。下图为CPU及内存层次的结构。





当CPU获取指令的时候，也会把指令所需要的数据读进CPU缓存中，当在某些时刻，通常是指令改变或者缓存失效时，CPU会重新从内存(RAM)中读取指令或数据。



在上面的例子中，新开的线程在做循环的时候，会读取 ready 变量到该线程所执行的CPU缓存中，当 main 线程修改 ready 变量为 false 的时候，是首先写在 main 线程所执行的CPU的缓存中，在某些时刻才会写入到内存(RAM)中。也就是说要让新开的线程停止的话，必须是 main 线程修改的变量写入到内存(RAM)中，而且新开的线程的所在的CPU缓存要失效，让其重新读取 ready 变量。然而，没有加 volatile 之前，main 线程并不会实时把变量 ready 写入到内存(RAM)中去，新开的线程也不会从内存中获取 ready 新的数据。



缓存一致性协议(MESI协议)



上述的问题就是大名鼎鼎的缓存不一致性的问题，也就是在并发编程中所要解决的主要问题之一。



在早期的CPU中，是通过在总线(上图中的Bus)上加LOCK#的形式来解决缓存不一致的问题，当加上总线锁的时候，加锁的CPU就独占内存，其他CPU就不能读取内存，也就是不能执行指令，只能乖乖等待锁释放，这样的总线锁效率很低，不过是能解决了缓存不一致的问题。



为了提高效率，就出现了缓存一致性协议。缓存一致性是为了保证每个缓存中使用的共享变量的副本是一致的，它的核心思想是：当CPU写数据时，如果发现该操作的变量是共享变量，即使在其他CPU中也存在该变量的副本，会发出通知，让其他CPU该变量的缓存行置为无效状态，因此即使其他CPU需要读取这个变量时，发现自己缓存中的该变量的缓存行无效了，那么就会从内存中重新读取。



MESI全名是Modified、Exclusive、 Share or Invalid，使每一个缓存行可能处于M、E、S和I这四种状态之一，



• M：被修改的。处于这一状态的数据，只在本CPU中有缓存数据，而其他CPU中没有。同时其状态相对于内存中的值来说，是已经被修改的，且没有更新到内存中。

• E：独占的。处于这一状态的数据，只有在本CPU中有缓存，且其数据没有修改，即与内存中一致。

• S：共享的。处于这一状态的数据在多个CPU中都有缓存，且与内存一致。

• I：无效的。本CPU中的这份缓存已经无效。





例子解析



volatile 关键字有着上面所说的触发缓存一致性的功能，所以在加上 volatile 关键字之后，main 线程把 ready 修改为 false 的时候，新开的线程是可以读取到修改后的 ready 的值，所以程序是可以符合我们的预期，停止了。



总结



本文通过上面的一个小例子来解析了 volatile 的一个功能，缓存一致性，为接下来学习 JUC 做准备。当然 volatile 关键字在java中还会有其他的功能，例如 happer-before、内存屏障、重排序等等，这些就不在本文赘述了。



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