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內(nèi)存可見(jiàn)性
說(shuō)到內(nèi)存可見(jiàn)性問(wèn)題就不得不提 Java 內(nèi)存模型，Java 內(nèi)存模型(Java Memory Model)簡(jiǎn)稱(chēng)為 JMM，主要是用來(lái)屏蔽不同硬件和操作系統(tǒng)的內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)差異的，因?yàn)樵诓煌挠布筒煌牟僮飨到y(tǒng)下，內(nèi)存的訪(fǎng)問(wèn)是有一定的差異得，這種差異會(huì)導(dǎo)致相同的代碼在不同的硬件和不同的操作系統(tǒng)下有著不一樣的行為，而 Java 內(nèi)存模型就是解決這個(gè)差異，統(tǒng)一相同代碼在不同硬件和不同操作系統(tǒng)下的差異的。
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Java 內(nèi)存模型規(guī)定：所有的變量(實(shí)例變量和靜態(tài)變量)都必須存儲(chǔ)在主內(nèi)存中，每個(gè)線(xiàn)程也會(huì)有自己的工作內(nèi)存，線(xiàn)程的工作內(nèi)存保存了該線(xiàn)程用到的變量和主內(nèi)存的副本拷貝，線(xiàn)程對(duì)變量的操作都在工作內(nèi)存中進(jìn)行。線(xiàn)程不能直接讀寫(xiě)主內(nèi)存中的變量，如下圖所示：
然而，Java 內(nèi)存模型會(huì)帶來(lái)一個(gè)新的問(wèn)題，那就是內(nèi)存可見(jiàn)性問(wèn)題，也就是當(dāng)某個(gè)線(xiàn)程修改了主內(nèi)存中共享變量的值之后，其他線(xiàn)程不能感知到此值被修改了，它會(huì)一直使用自己工作內(nèi)存中的“舊值”，這樣程序的執(zhí)行結(jié)果就不符合我們的預(yù)期了，這就是內(nèi)存可見(jiàn)性問(wèn)題，我們用以下代碼來(lái)演示一下這個(gè)問(wèn)題：
private static boolean flag = false;
public static void main(String[] args) {
Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
while (!flag) {
}
System.out.println("終止執(zhí)行");
}
});
t1.start();
Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("設(shè)置 flag=true");
flag = true;
}
});
t2.start();
}
以上代碼我們預(yù)期的結(jié)果是，在線(xiàn)程 1 執(zhí)行了 1s 之后，線(xiàn)程 2 將 flag 變量修改為 true，之后線(xiàn)程 1 終止執(zhí)行，然而，因?yàn)榫€(xiàn)程 1 感知不到 flag 變量發(fā)生了修改，也就是內(nèi)存可見(jiàn)性問(wèn)題，所以會(huì)導(dǎo)致線(xiàn)程 1 會(huì)永遠(yuǎn)的執(zhí)行下去，最終我們看到的結(jié)果是這樣的：
如何解決以上問(wèn)題呢?只需要給變量 flag 加上 volatile 修飾即可，具體的實(shí)現(xiàn)代碼如下：
private volatile static boolean flag = false;
public static void main(String[] args) {
Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
while (!flag) {
}
System.out.println("終止執(zhí)行");
}
});
t1.start();
Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("設(shè)置 flag=true");
flag = true;
}
});
t2.start();
}
以上程序的執(zhí)行結(jié)果如下圖所示：
禁止指令重排序
指令重排序是指編譯器或 CPU 為了優(yōu)化程序的執(zhí)行性能，而對(duì)指令進(jìn)行重新排序的一種手段。
指令重排序的實(shí)現(xiàn)初衷是好的，但是在多線(xiàn)程執(zhí)行中，如果執(zhí)行了指令重排序可能會(huì)導(dǎo)致程序執(zhí)行出錯(cuò)。指令重排序最典型的一個(gè)問(wèn)題就發(fā)生在單例模式中，比如以下問(wèn)題代碼：
public class Singleton {
private Singleton() {}
private static Singleton instance = null;
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) { // ①
synchronized (Singleton.class) {
if (instance == null) {
instance = new Singleton(); // ②
}
}
}
return instance;
}
}以上問(wèn)題發(fā)生在代碼 ② 這一行“instance = new Singleton();”，這行代碼看似只是一個(gè)創(chuàng)建對(duì)象的過(guò)程，然而它的實(shí)際執(zhí)行卻分為以下 3 步：
- 創(chuàng)建內(nèi)存空間。
- 在內(nèi)存空間中初始化對(duì)象 Singleton。
- 將內(nèi)存地址賦值給 instance 對(duì)象(執(zhí)行了此步驟，instance 就不等于 null 了)。
如果此變量不加 volatile，那么線(xiàn)程 1 在執(zhí)行到上述代碼的第 ② 處時(shí)就可能會(huì)執(zhí)行指令重排序，將原本是 1、2、3 的執(zhí)行順序，重排為 1、3、2。但是特殊情況下，線(xiàn)程 1 在執(zhí)行完第 3 步之后，如果來(lái)了線(xiàn)程 2 執(zhí)行到上述代碼的第 ① 處，判斷 instance 對(duì)象已經(jīng)不為 null，但此時(shí)線(xiàn)程 1 還未將對(duì)象實(shí)例化完，那么線(xiàn)程 2 將會(huì)得到一個(gè)被實(shí)例化“一半”的對(duì)象，從而導(dǎo)致程序執(zhí)行出錯(cuò)，這就是為什么要給私有變量添加 volatile 的原因了。
要使以上單例模式變?yōu)榫€(xiàn)程安全的程序，需要給 instance 變量添加 volatile 修飾，它的最終實(shí)現(xiàn)代碼如下：
public class Singleton {
private Singleton() {}
// 使用 volatile 禁止指令重排序
private static volatile Singleton instance = null; // 【主要是此行代碼發(fā)生了變化】
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) { // ①
synchronized (Singleton.class) {
if (instance == null) {
instance = new Singleton(); // ②
}
}
}
return instance;
}
}
總結(jié)
volatile 是 Java 并發(fā)編程的重要組成部分，它的主要作用有兩個(gè)：保證內(nèi)存的可見(jiàn)性和禁止指令重排序。volatile 常使用在一寫(xiě)多讀的場(chǎng)景中，比如 CopyOnWriteArrayList 集合，它在操作的時(shí)候會(huì)把全部數(shù)據(jù)復(fù)制出來(lái)對(duì)寫(xiě)操作加鎖，修改完之后再使用 setArray 方法把此數(shù)組賦值為更新后的值，使用 volatile 可以使讀線(xiàn)程很快的告知到數(shù)組被修改，不會(huì)進(jìn)行指令重排，操作完成后就可以對(duì)其他線(xiàn)程可見(jiàn)了。
分享題目：面試突擊：Volatile有什么用？
URL標(biāo)題：http://fisionsoft.com.cn/article/coeddog.html
