反骨之Java是如何解决并发中的可见性问题的

前言

前段时间笔者写过一篇关于, 关于《反骨之Java是如何解决并发中的原子性问题》的博文。

其中，提出一个观点：Java中使用互斥锁和CAS解决了并发中的原子性问题。

那么，本篇博文则主要探讨的是：

Java中如何利用Java内存模型规范中的Volatile、synchronized、final关键字解决可见性问题。

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正文

在开始重点之前，我们注意到上文提到的两个关键词，即内存模型和可见性问题。

由于笔者在《反骨之硬件&软件为Java并发编程中挖的坑(可见性&原子性&有序性)》一文中，对可见性仅是一笔带过，所在笔者认为在本篇博文中，需要对可见性进行更进一步的解释。

所以，在谈解决可见性问题之前，我们需要聊聊可见性问题&Java内存模型。

什么是可见性问题呢？

可见性，主要强调一个线程对某个共享变量进行更新之后，后续访问该共享变量的线程可能无法立即读取到更新后的最新结果，甚至永远也无法得知其他线程对该共享变量进行过修改操作。那么，这种问题，我们可以称其为：可见性问题。

当然，可见性问题是也是线程安全性的表现形式之一。

线程安全性的表现形式，即为：原子、有序、可见性。

什么是Java内存模型(JMM)？

简单来说，Java内存模型是一组规范，这些规范告诉JVM如何解决原子性、有序性和可见性问题。

我们知道Java的对象一般是放在堆内存中的，而堆内存是线程共享的，所以Java内存模型的影响范围一般只涉及堆内存。这里，JMM有一张比较形象的图1-1：

我们可以看到，JMM处于线程和主内存中间，充当中介人的角色。

当线程和主内存只能通过JMM通信的时候，那么JMM就是唯一的主宰！

接下来是JMM的自我介绍：

大家好，我叫Java memory model(JMM)
为了更好的解决并发编程中的线程安全性问题，即保证并发中的原子性、有序性和可见性。
所以，我规定了以下规则。
规则一：每个线程都有独立的工作内存, 即工作内存(本地线程)
规则二：所有的共享变量都必须在主内存中, 且只能通过JMM进行控制访问。
规则三：所有的共享变量都必须在主内存中，每个线程都有自己的工作内存(本地内存)，线程的所有操作都必须在工作内存中进行，而不能直接对主内存进行操作。
规则四：工作内存之间禁止互相访问。

掌握绝对权力之后，那么JMM就可以制定可见性规范：

比如：当线程A想跟线程B通信的时候

首先，线程A需要把自己本地内存中更新后的共享变量副本，刷新到主内存中。
随后，线程B跳过读取本地内存，直接向主内存中读取共享变量的值，将主内存中读取的值放入自己的本地内存中。

从这里可以看出，JMM是通过控制主内存和每个线程的本地内存之间的交互，来达到可见性目的的。

众所周知，JMM是一组抽象的复杂的规范，那么如何把抽象的、复杂的规范变成现实可用的方法呢？

所以，Java到底是利用什么手段或措施，保证多线程环境下，共享变量是立即可见性的(锁&volatile&final)。

手段一：synchronized或Lock——互斥锁

在并发编程中，一旦使用互斥锁，一般能解决所有并发问题！

所以，可见性可以使用互斥锁进行保障。

手段二：volatile关键字

在这里笔者并不讲volitale的底层实现原理，具体的底层实现细节笔者会单独写一篇博文来进行介绍。

其实，被volitale关键字修饰的共享变量，具有两个语义(这里的语义，可以理解为潜规则)。

语义一：保证可见性。即，保证线程对共享变量的修改，对其他线程是立即可见的。

volatile关键字保证立即可见，其中有几点需要注意：

其一，使用volatile关键字会强制将修改的值(共享变量)立即写/读入主内存。

如何实现强制写入主内存？

在图1-1中我们可以看到存在线程A和线程B。那么，当线程A对共享变量进行修改的时候，会导致线程B工作内存中的共享变量副本失效。

如何实现强制读取主内存？

一旦线程工作内存中的共享变量副本失效，那么就必须重新从主内存中读取最新的值。

当然，看到这里相信读者们已经看出来了，volitale的语义一是利用缓存一致性协议(MESI)来保证的。

语义二：保证有序性。

额…好像保证有序性在本篇博文，出现地有点不合时宜。

反正，读者们只需要记住：

volitale关键字利用禁止指令重排序和禁止编译优化，保证有序性。

手段三：final关键字

有final修饰的变量(基本类型)具有不可变性，当且仅有一次赋值，一旦赋值即不可变。

不可变的变量或对象，我们可以称其为线程安全变量/对象。

因为，final关键字修饰的变量是不可变的，在多线程环境中不管怎么操作，都是同一个值。

所以，final关键字是保证可见性的手段之一。

总结

Java内存模型也称为内存一致性模型，是一些复杂规范的抽象集合，其中规定了工作内存和主内存的概念。
volitale关键字具有两种语义：保证可见性&有序性。
final关键字意味着不可变(基本数据类型byte, int……)，所以在多线程环境下是立即可见的。
synchronized、volitale、final三个关键字，可以看做是Java内存模型对可见性问题提出的解决方案。