java面试题-Java中volatile关键字的作用与解决可见性问题

在Java多线程编程中，保证线程安全性是至关重要的。volatile关键字是一种类型修饰符，用于解决多线程环境下的可见性问题。本教程将深入解析volatile关键字的作用，详细说明其在多线程编程中的应用，以及通过代码演示帮助初学者理解这一概念。

1. 什么是volatile关键字，有什么作用？

volatile关键字用于修饰共享变量，主要解决多线程环境下的可见性问题。在JDK 1.5之后，对volatile关键字的语义进行了增强，它具有以下主要作用：

保证可见性： 确保不同线程对共享变量进行操作时的可见性。当一个线程修改了共享变量的值，修改后的值对其他线程立即可见。

解决有序性问题： 通过禁止编译器、CPU指令重排序和部分happens-before规则，解决有序性问题。

2. volatile可见性的实现原理

在实现可见性时，volatile关键字采用了缓存一致性协议，保证每个线程获得共享变量的最新值。以下是volatile可见性的实现原理：

在生成汇编代码指令时，对volatile修饰的共享变量进行写操作时，会多出Lock前缀的指令。

Lock前缀的指令引起CPU缓存写回内存，导致其他CPU缓存了该内存地址的数据无效。

volatile变量通过缓存一致性协议保证每个线程获得最新值。当CPU发现自己缓存行对应的内存地址被修改，会将当前CPU的缓存行设置成无效状态，重新从内存中把数据读到CPU缓存。

3. 代码演示：解决可见性问题

/**
 * 测试可见性问题
 */
public class TestVisibility {
    // 是否停止 变量
    private static volatile boolean stop = false;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 启动线程 1，当 stop 为 true，结束循环
        new Thread(() -> {
            System.out.println("线程 1 正在运行...");
            while (!stop) ;
            System.out.println("线程 1 终止");
        }).start();

        // 休眠 10 毫秒
        Thread.sleep(10);

        // 启动线程 2， 设置 stop = true
        new Thread(() -> {
            System.out.println("线程 2 正在运行...");
            stop = true;
            System.out.println("设置 stop 变量为 true.");
        }).start();
    }
}

在上述代码中，通过将stop变量声明为volatile，确保了在一个线程修改stop值后，对其他线程是可见的。这样，线程1能够及时看到线程2对stop变量的修改，从而正确地结束循环。

程序会一直循环运行下去
这个就是因为 CPU 缓存导致的可见性导致的问题。
线程 2 设置 stop 变量为 true，线程 1 在 CPU 1上执行，读取的 CPU 1 缓存中的 stop 变量仍然为 false，线程 1 一直在循环执行。