【线程安全】内存可见性问题及解决方案

本是古典何须时尚 2024-03-26 17:50 109阅读 0赞

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## 1. 关于内存可见性的一段代码 ##

import java.util.Scanner;
    public class ThreadDemo {
        public static int count = 0;
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
            Thread t1 = new Thread(() -> {
                while (count == 0) {
    
                }
                System.out.println("t1 线程结束!");
            });
            Thread t2 = new Thread(() -> {
                Scanner scanner = new Scanner(System.in);
                count = scanner.nextInt();
                System.out.println("t2 线程结束! count = " + count);
            });
            t1.start();
            t2.start();
        }
    }

此时这段代码相信你们都不难看懂，t1 线程有一个空循环，只要 count 的值等于 0，这个空循环就会一直循环下去，t2 线程则是让我们从键盘输入一个数，用来改变 count 的值，并打印一下修改后 count 的值，如果 count 的值改变了，不等于 0 了，是不是也就意味着 t1 会跳出循环，接着打印 "t1线程结束"。

所以上述代码，我们预期由 t2 线程从键盘读一个数，改变 count 的值，结束 t1 线程的循环！

接下来我们就运行这个代码：

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此时发现，count 的值确实被改了，为什么 t1 线程仍然没有结束呢？？？此时程序也就出现了 BUG！

**那么上述这种情况，就是内存可见性问题！一个线程读，一个线程写(线程不安全)**

为什么会发生上述的情况呢？这里就需要分析 t1 线程里 while 循环的条件部分了，**count == 0**，这个操作从汇编的角度上，需要分成两步：

> 1. load，把内存中的值读到寄存器中(也可能是读到cache)  
> 2. cmp，把寄存器中的值和 0 进行比较，决定下一步往哪走

上述代码的循环执行速度是非常快的！在 t2 线程对 count 进行修改前，这个循环可能已经执行了上千万次了！

每次 load 的操作是比 cmp 慢很多的，因为 load 大概率要从内存中读数据(此处忽略 cache)，而 cmp 不需要经过内存，直接用 CPU 进行比较。

由上述两个点：load 速度太慢，t2 改 count 值之前，循环每次 load 的 count 都是0，可能读了上千万次 count 的值都是0，此时 JVM/编译器 就做了一个大胆的决定，不在重复从内存读取 count 的值了！因为发现读了几百万次都没人修改，那我还从内存读这个值干嘛！

所以以至于后续 t2 线程修改了内存中 count 变量的值，但是 t1 线程仍然没有察觉到！

上述这种情况，也是编译器优化的一种！

> **内存可见性：**  
> **一个线程针对一个变量进行读操作，另一个线程针对这个变量进行修改，此时读的线程，不一定能感知到这个变量被改了**

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## 2. volatile 关键字 ##

这个关键字从字面意思上理解是 "易变的，不稳定的"，如果给变量加上这个关键字，仿佛在告诉 JVM/编译器，这个变量很不稳定，极有可能发生变化，从而不让编译器优化！那么事实是不是这样呢？

于是我们对 count 变量加上 volatile 关键字：

import java.util.Scanner;
    public class ThreadDemo {
        public static volatile int count = 0;
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
            Thread t1 = new Thread(() -> {
                while (count == 0) {
    
                }
                System.out.println("t1 线程结束!");
            });
            Thread t2 = new Thread(() -> {
                Scanner scanner = new Scanner(System.in);
                count = scanner.nextInt();
                System.out.println("t2 线程结束! count = " + count);
            });
            t1.start();
            t2.start();
        }
    }

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通过程序执行结果，确实发现当给 count 加上 volatile 修饰之后，t1 线程能感知到 count 被 t2 给修改了，那么 volatile 这个关键字的作用就是，告诉 JVM/编译器 这个变量是 "易变" 的，每次都要重新读取这个变量的内容，因为他指不定啥时候就发生变化了，你可不能莽撞的进行优化了啊！

**volatile 这个关键字是保证内存可见的！而且还能禁止编译器指令重排序(单例模式讲解)**

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## 3. JVM 官方内存模型 ##

大概是说，从 JVM 的角度表述内存可见性的问题：

Java 的主程序中，有一个主内存，每个线程有自己的工作内存(t1 和 t2 有不同的工作内存)，当 t1 线程进行读的时候，只是读取了工作内存的值，t2 进行修改的时候，先是修改了工作内存的值，再把工作内存修改后的值，同步到主内存中，但是由于编译器的优化，导致 t1 没有重新从主内存中同步数据到 t1 的工作内存中，所以读到的就是 "修改前" 的结果。

**什么是主内存，工作内存？**

这里可以简单理解成，主内存 main memory 理解为平时所说的内存，工作内存 work memory 工作存储区 理解成 CPU 的寄存器 + cache 缓存。

由于 CPU 硬件结构复杂，Java 官方为了不区分硬件的细节和差异，就用工作内存代替了 CPU寄存器 + CPU 的 cache。

**简单来说，主内存就是内存，工作内存就是 CPU寄存器 + cache 缓存**

所以最终就是 t1 没有同步内存中的值到寄存器/cache，从而导致 while 条件判断 count 的值永远都是0。

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## 4. volatile 不保证原子性 ##

这里用一段很简单的代码就能验证出来了：

public class ThreadDemo {
        public static volatile int count = 0;
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
            Thread t1 = new Thread(() -> {
                for (int i = 0; i < 5_0000; i++) {
                    count++;
                }
            });
            Thread t2 = new Thread(() -> {
                for (int i = 0; i < 5_0000; i++) {
                    count++;
                }
            });
            t1.start();
            t2.start();
            t1.join();
            t2.join();
            System.out.println("count = " + count);
        }
    }
    // 第一次执行结果：count = 77038
    // 第二次执行结果：count = 74220
    // 第三次执行结果：count = 77001

如果你是使用 IDEA 编译器，当你把鼠标放在 count++ 这条代码上，就能发现有一个警告：

**Non-atomic operation on volatile field 'count'**

易失性字段“count”上的非原子操作

通过这个和上述代码的执行结果，很容易得出 volatile 关键字不保证原子性。

> **小结：**  
> synchronized 和 volatile 都是保证线程安全的，但是他俩的功能是不一样的，synchronized 是能够保证原子性，而 volatile 是保证内存可见性，至于网上也有的人说 synchronized 也能保证原子性，也有的人说不能保证原子性，这个有待考证，这里我们就不杠，如果后面写代码的时候，既要考虑原子性，又要考虑内存可见性，直接把 synchronized 和 volatile 都加上即可。

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**下期预告：【多线程】wait 和 notify**

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