Java-JUC（一）：volatile引入

问题背景：

volatile是为了解决内存可见性而生的，什么是内存不可见性呢？

以下边的代码为例：

package com.dx.juc;

public class VoltileTest {
    public static void main(String[] args) {
        MyThread thread=new MyThread();
        thread.start();

        while (true){
            if(thread.flag){
                System.out.println("thread flag is true");
                break;
            }
        }

        System.out.println("complete");
    }
}

class MyThread extends Thread {
    public  boolean flag = false;

    @Override
    public void run() {
        try {
            Thread.sleep(200);
            flag = true;
            System.out.println("flag is changed;" + flag);
        } catch (InterruptedException ex) {
            ex.printStackTrace();
        }
    }
}

在线程thread开始执行的过程中会吧thread.flag属性值修改为true，一般情况下来说，main线程在while(true)循环内部是可以检测到thread.flag被修改了，而且我们希望是这样子。但是程序运行起来的时候会发现flag在线程thread中被修改后，main线程并不能读取到被修改的值。

输出结果为：

此时，就是main一直在执行while(true)循环操作。

出现问题的原因？

原因：

1）thread线程修改flag值时间晚于main获取（拷贝）flag值（到main缓存）的时间；

2）同时main线程中读取flag数据是从main线程的缓存中读取，而不是直接从主存中读取。

或用更简洁的话来描述：

两个线程操作共享数据时，彼此不可见，线程可见性导致的问题。

那么为什么要使用缓存？

Register

寄存器是CPU的内部组成单元,是CPU运算时取指令和数据的地方，速度很快，寄存器可以用来暂存指令、数据和地址。在CPU中，通常有通用寄存器，如指令寄存器IR；特殊功能寄存器，如程序计数器PC、sp等

寄存器的工作方式很简单，只有两步：（1）找到相关的位，（2）读取这些位。

Cache

缓存即就是用于暂时存放内存中的数据，若果寄存器要取内存中的一部分数据时，可直接从缓存中取到，这样可以调高速度。高速缓存是内存的部分拷贝。

内存的工作方式就要复杂得多：

（1）找到数据的指针。（指针可能存放在寄存器内，所以这一步就已经包括寄存器的全部工作了。）

（2）将指针送往内存管理单元（MMU），由MMU将虚拟的内存地址翻译成实际的物理地址。

（3）将物理地址送往内存控制器（memory controller），由内存控制器找出该地址在哪一根内存插槽（bank）上。

（4）确定数据在哪一个内存块（chunk）上，从该块读取数据。

（5）数据先送回内存控制器，再送回CPU，然后开始使用。

内存的工作流程比寄存器多出许多步。每一步都会产生延迟，累积起来就使得内存比寄存器慢得多。

为了缓解寄存器与内存之间的巨大速度差异，硬件设计师做出了许多努力，包括在CPU内部设置缓存、优化CPU工作方式，尽量一次性从内存读取指令所要用到的全部数据等等。

如何解决内存不可见的问题？使用volatile

使用java中的volatile实现内存可见性

package com.dx.juc;

public class VoltileTest {
    public static void main(String[] args) {
        MyThread thread = new MyThread();
        thread.start();

        while (true) {
            if (thread.isFlag()) {
                System.out.println("thread flag is true");
                break;
            }
        }

        System.out.println("complete");
    }
}

class MyThread extends Thread {
    private volatile boolean flag = false;

    @Override
    public void run() {
        try {
            Thread.sleep(200);
            setFlag(true) ;
            System.out.println("flag is changed;" + isFlag());
        } catch (InterruptedException ex) {
            ex.printStackTrace();
        }
    }

    public boolean isFlag() {
        return flag;
    }

    public void setFlag(boolean flag) {
        this.flag = flag;
    }
}

使用了volatile后确实可以保证了内存可见性，当thread线程修改了flag的值时，会先把thread线程缓存中的值修改，立即把thread线程缓存中修改的值刷新到主存中，同时引用了被volatile修饰的变量所在的线程对应缓存（清空）失效，此时main线程在while循环处理是检测到缓存中无该变量值，则要从主存中获取flag对象，因此，确保了数据的可见性。

用volatile修饰之后带来的影响：

第一：使用volatile关键字会强制将修改的值立即写入主存；

第二：使用volatile关键字的话，当线程thread进行修改时，会导致线程main的工作内存中缓存变量flag的缓存行无效（反映到硬件层的话，就是CPU的L1或者L2缓存中对应的缓存行无效）；

第三：由于线程main的工作内存中缓存变量flag的缓存行无效，所以线程main再次读取变量flag的值时会去主存读取。

那么在线程thread修改flag值时（当然这里包括2个操作，修改线程thread工作内存中的值，然后将修改后的值写入内存），会使得线程main的工作内存中缓存变量flag的缓存行无效，然后线程main读取时，发现自己的缓存行无效，它会等待缓存行对应的主存地址被更新之后，然后去对应的主存读取最新的值。

那么线程main读取到的就是最新的正确的值。

参考《Java内存模型-volatile的内存语义》

《原 Java并发（10）-JUC线程池 Executor框架》

《原 Java并发（9）--JUC并发工具类：CountDownLatch、Semaphore、CyclicBarrier、Exchanger 》

《原 Java并发（8）--JUC之同步队列器AQS原理、重入锁ReentrantLock、读写锁ReentrantReadWriteLock 》

《原 Java并发（7）--并发容器 J.U.C：Java.util.concurrency 》

《原 Java并发（6）--线程安全策略：不可变对象、ThreadLocal、常见的线程安全与线程不安全类、同步容器》

《原 Java并发（5）--线程安全发布对象：懒汉模式、饿汉模式》

《原 Java并发（4）--线程安全：原子性（Atomic）、可见性、有序性》

《原 Java并发（3）--项目准备：环境初始化、案例准备、并发模拟工具、并发模拟代码》

《原 Java并发（2）--并发基本：线程安全、锁优化》

《原 Java并发（1）--并发基本：CPU缓存、Java内存模型、Java线程》