并发编程三大特性之可见性

一、什么是可见性？

可见性问题是基于CPU位置出现的，cpu处里速度非常快，相对CPU来说去主内存

获取数据这个事情太慢了，CPU就提供了 L1，L2，L3的三季缓存，每次去主内存拿完

数据后，数据就先存储到三级缓存，然后cpu再去三级缓存取数据，效率肯定会提升；

三级缓存就是是每个线程的工作内存，是相互独立的。

这就带来了一个问题：现在CPU都是多核，每个线程的工作内存（CPU三级缓存）都

是独立的，会告知每个线程做修改时，只修改自己的工作内存，数据没有及时同步到主内存

，从而导致数据不一致的问题

线程运行时数据处里过程如下：

使用下边代码来验证数据可见性的问题，代码如下：

二、解决可见性问题的方式

1、volatile

volatile是一个关键字，用于修饰成员变量

如果属性被volatile修饰，相当于告诉cpu，对于当前属性的操作，不允许使用CPU

缓存（即线程私有内存），必须去操作主内存。

volatile的内存语义：

（1）volatile 属性被写：当写一个volatile变量，JMM会将当前线程的CPU缓存的

数据及时刷新到主内存中

（2）volatile 属性被读：当读一个volatile变量，JMM会将当前线程对应的CPU缓存

设置为无效，必须从主内存读取数据。

其实变量加了volatile就是告诉cpu，对当前变量的读写操作，不允许使用CPU缓存；加

了volatile 的变量会在编译成汇编之后追加一个lock前缀，CPU执行这个指令时，如果

带有lock前缀会做2件事：

（1）将当处理器缓存行的数据写回到主内存

（2）这个写会的数据，在其他的CPU内核的缓存中，直接无效

总结：volatile 就是让CPU每次操作这个数据时，必须立即同步到主内存，以及从主内

存读取数据。

在代码中若先对volatile属性进行操作，则其他属性也是可见性的。

针对上边的代码，采用volatile解决可见性问题实现如下：

/******************************************************** 验证线程的可见性问题* 每个线程都有自己的私有内存，相互独立，线程运行时处里的是自己私有内存的数据** 使用volatile解决内存可见性*******************************************************/
public class Test02 {private volatile static boolean flag = true;public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Thread t1 = new Thread(() -> {while (flag){}System.out.println("子线程 t1 中 flag改变");});t1.start();//预期：flag修改成false后,不影响线程t1的运行Thread.sleep(100);//修改flag 的值flag = false;System.out.println(" main 线程中修改 flag = false");}
}//方案二：在代码中若先对volatile属性进行操作，则其他属性也是可见性的
public class Test02 {private volatile static int i= 0;private  static boolean flag = true;public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Thread t1 = new Thread(() -> {while (flag){//todo: 在代码中若先对volatile属性进行操作，则其他属性也是可见性的i++;}System.out.println("子线程 t1 中 flag改变");});t1.start();//预期：flag修改成false后,不影响线程t1的运行Thread.sleep(100);//修改flag 的值flag = false;System.out.println(" main 线程中修改 flag = false");}
}

2、synchronized

synchronized也是可以解决可见性问题。

synchronized内存语义：

如果涉及到了synchronized 的同步代码块或者同步方法，获取资源之后，将内部

涉及到的变量从CPU缓存（线程私有内存）中移除，必须重新去主内存中取数据；

而且在释放锁之后，会立即将CPU缓存中的数据同步到主内存中。

使用 synchronized 解决内存可见性示例代码如下：

/******************************************************** 验证线程的可见性问题* 每个线程都有自己的私有内存，相互独立，线程运行时处里的是自己私有内存的数据** 使用synchronized解决内存可见性*******************************************************/
public class Test03 {private  static boolean flag = true;public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Thread t1 = new Thread(() -> {while (flag){/** 问题：为什么这里synchronized 放在while循环里边，不放在外边？*     因为线程 在获取到 synchronized 锁之后才会从主内存拿数据，若把synchronized 放在while外边*     则只会从主内存拿一次数据，后边不能监听到变量 flag 变化*/synchronized (Test03.class){//todo}}System.out.println("子线程 t1 中 flag改变");});t1.start();//预期：flag修改成false后,不影响线程t1的运行Thread.sleep(100);//修改flag 的值flag = false;System.out.println(" main 线程中修改 flag = false");}
}

3、Lock

Lock锁保证可见性的方式和synchronized 完全不同，synchronized是基于内存语义在获取

锁和释放锁对CPU缓存做一个同步到主内存的操作。

lock 锁是基于volatile实现的，lock 锁内部进行加锁和释放锁时，会对一个volatile修饰的属

state做加减操作。

如果对volatile属性进行写操作，CPU会执行带有lock前缀的指令，会将CPU缓存的数据立

即同步到主内存，同时也会将其他非volatile属性页一起同步到主内存。还会将其他CPU缓

存行中这个volatile数据设置为无效，必须从主内存重新拉取。

lock解决可见性示例代码如下：

/******************************************************** 验证线程的可见性问题* 每个线程都有自己的私有内存，相互独立，线程运行时处里的是自己私有内存的数据** 使用lock解决内存可见性*******************************************************/
public class Test04 {private  static boolean flag = true;private static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Thread t1 = new Thread(() -> {while (flag){lock.lock();try {//。。。。。}finally {lock.unlock();}}System.out.println("子线程 t1 中 flag改变");});t1.start();//预期：flag修改成false后,不影响线程t1的运行Thread.sleep(100);//修改flag 的值flag = false;System.out.println(" main 线程中修改 flag = false");}
}

4、final

final本质上说并不能像synchronized和volatile 那种形式保证可见性，final修饰的属性在

运行期间是不允许修改的，这样一来就间接保证了可见性。

final与volatile不允许同时修饰一个属性，final修饰的属性不允许被修改，而volatile保证

每次从主内存读取数据，并且volatile会影响一定性能，就不需要同时修饰。

final与volatile同时修饰属性会报错，如下图所示：