深入理解Java内存模型（JMM）与并发编程中的可见性问题

题目

深入理解Java内存模型（JMM）与并发编程中的可见性问题

信息

• 类型：问答
• 难度：⭐⭐⭐

考点

Java内存模型,volatile关键字,并发编程,可见性,重排序

快速回答

当多个线程访问共享变量时，volatile关键字通过以下机制保证可见性：

• 禁止指令重排序（通过内存屏障）
• 强制线程每次读取都从主内存获取最新值
• 确保写入操作立即刷新到主内存

但需注意：volatile不保证原子性，复合操作仍需同步机制。

解析

问题场景

考虑以下代码在多线程环境下的行为：

public class VisibilityIssue {
    // 共享变量
    boolean ready = false;
    int result = 0;

    public void writer() {
        result = 42;   // 操作1
        ready = true;  // 操作2
    }

    public void reader() {
        if (ready) {   // 操作3
            System.out.println(result);  // 操作4
        }
    }
}

当线程A执行writer()，线程B执行reader()时，可能输出0而非42。

核心原理

Java内存模型（JMM）规范定义了线程如何与主内存交互：

• 工作内存：每个线程有自己的工作内存（CPU缓存/寄存器副本）
• 可见性问题：操作2可能先于操作1执行（重排序），且修改可能未及时同步到主内存
• happens-before原则：JMM规定的内存可见性保证规则

解决方案：volatile关键字

volatile boolean ready = false;  // 添加volatile修饰

volatile通过以下机制工作：

• 内存屏障：
  • 写屏障：确保volatile写之前的操作不会被重排序到写之后
  • 读屏障：确保volatile读之后的操作不会被重排序到读之前
• 即时可见：写操作直接刷新到主内存，读操作直接从主内存读取

代码验证

public class VolatileDemo {
    volatile boolean flag = false;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        VolatileDemo demo = new VolatileDemo();

        // 线程1：修改flag
        new Thread(() -> {
            try {
                Thread.sleep(100);
                demo.flag = true;
                System.out.println("Flag set to true");
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
        }).start();

        // 线程2：检测flag变化
        new Thread(() -> {
            while (!demo.flag) {
                // 空循环等待
            }
            System.out.println("Flag detected as true");
        }).start();
    }
}

最佳实践

• 适用场景：状态标志、一次性安全发布（如双重检查锁）
• 限制：
  • 不保证复合操作（如i++）的原子性
  • 不能替代synchronized（当需要互斥访问时）
• 替代方案：AtomicXXX类、显式锁、synchronized

常见错误

• 误用volatile替代同步（如对多个变量做原子更新）
• 忽视64位变量的非原子操作（long/double在32位JVM的非volatile声明）
• 过度使用导致性能下降（volatile读比普通变量慢）

扩展知识

• 内存屏障类型：LoadLoad, StoreStore, LoadStore, StoreLoad
• final字段可见性：正确构造的对象中，final字段初始化对所有线程可见
• happens-before规则：
  • 程序顺序规则
  • volatile变量规则
  • 传递性规则