五分钟让你搞懂“Volatile”关键字是如何帮助Java解决可见性问题的

程序员牛肉

发布于 2024-09-26 13:25:58

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发布于 2024-09-26 13:25:58

文章被收录于专栏：小牛肉带你学Java

大家好，我是程序员牛肉。

我们在看各种八股的时候，经常会看到“Volatile”这个关键字。只要提到这个关键字，就会强调它解决了Java多线程并发下的可见性问题。

但你真的了解可见性问题的成因以及Volatile关键字是如何解决可见性问题的吗？

为什么会发生“可见性”的问题要从CPU开始说起了。

在计算机执行程序时，CPU负责处理每条指令。由于CPU的速度非常快，而访问物理内存中的数据速度相对较慢，这种速度差异会导致CPU在等待数据时出现闲置。为了解决这个问题，CPU内部集成了高速缓存。

具体来说，当程序运行时，它会预先将需要处理的数据从物理内存复制到CPU的高速缓存里。这样，CPU在进行计算时就可以直接从高速缓存中读取或写入数据，而不必每次都等待从物理内存中读取，从而提高了处理速度。计算完成后，高速缓存中的数据会被同步更新到物理内存中。

[由于CPU的读写速度远大于内存的读写速度，为了平衡二者的关系，我们在CPU和内存之间创建了缓存区。]

最早的单核CPU是这样处理指令的：

在单核CPU下就是有一百个线程，也不会触发线程安全问题，因为所有的线程操作的都是一个缓存变量。

可是坏就坏在由于技术的不断发展，人们对CPU的性能提出了更高的需求，希望其可以处理更加复杂的任务。

多核CPU应运而生，而在多核CPU下，线程可能不再操作同一个缓存区。

这个时候CPU与内存的数据一致性问题旧爆发了，当多个线程在不同的CPU上执行的时候，这些线程操作的是不同的CPU缓存。

就比如上图中，线程AB操作的是CPU核心1的缓存区，线程CB操作的是CPU核心2的缓存区。

此时线程AB对变量的操作就对于线程CD来讲是“不可见的”，而线程CD对变量的操作对于线程AB来讲也是不可见的。

现在你搞懂什么是“不可见性”以及为什么多线程下会有可见性问题了吧，我们来举一个例子：

这个案例不太正确，因为count++这个操作并不是原子性的。但是它可以帮助你更好的理解Volatile。

public class SimpleCounter {
    public static void main(String[] args) {
        final int[] count = {0}; // 使用数组来存储共享变量

        Thread threadA = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                count[0]++;
            }
        });

        Thread threadB = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                count[0]++;
            }
        });

        threadA.start();
        threadB.start();
        
        System.out.println("Final count: " + count[0]);
    }}

在这个示例代码中，我们使用了两个线程在不做任何安全措施的情况下进行自增操作。

两个线程分别执行10000次自增，但是结果却不是20000。