Java内存模型与volatile关键字不为人知的关系

1 博文主旨

行文主要围绕以下3个问题展开阐述：

1. volatile关键字作用有哪些？
2. volatile关键字有哪些运用场景？
3. Java内存模型与volatile之间究竟有何关联？

2 Java内存模型 VS JVM运行时数据区

2.1 Java内存模型

Java虚拟机支持多线程任务的执行。在多线程运行场景下，若线程间未能保证同步的正确性，线程的行为可能会出现混淆和违反直觉。

在这种情况下，我们也许迫切需要一些保障措施：比如，当多个线程修改了共享内存中变量的值时，后续线程应该以哪一次修改的值作为基准进行读取？类似的语义（或者称规则）在Java语言中主要用于描述多线程程序的合法行为，又由于此类型的规范区别于硬件体系结构的内存模型，因此这些语义被称为Java编程语言内存模型，简称Java内存模型。此为Java内存模型的由来!

鉴于还是有许多人跟博主一样，一开始愣是将Java内存模型和JVM运行时数据区混为一谈，所以有必要对JVM运行时数据区作个简要说明。

2.2 JVM运行时数据区

JVM运行时数据区，按照线程是否共享，可划分为以下2个部分：

2.2.1 线程共享

所有线程都能访问这块内存区域的数据。包括：堆内存 和 方法区

其中，

堆内存：存储new出来的对象实例。

方法区：存储加载的类信息，常量、静态变量、编译后的代码等。

2.2.2 线程独享

每个线程都有其独立的专属内存空间。包括：虚拟机栈、本地方法栈和程序计数器。

其中，

虚拟机栈：每个线程在这块区域都有一块私有的内存空间。是为JVM执行Java方法（非native方法）而准备的。

本地方法栈：和虚拟机栈类似，不过它是为JVM执行native本地方法而准备的。

程序计数器：记录当前线程执行字节码的位置。其内存储的是字节码指令地址，如果执行的是native方法，则计数器值为空。每个线程在 程序计算器 中都拥有一块专属空间。CPU在同一时间，只会执行线程中的一条指令。

3 volatile关键字闪亮登场

3.1 volatile关键字解决了啥问题？

• 可见性问题：在多线程语义下，一个线程对共享变量的修改，其他线程能够及时感知到且保证读取到最新的修改值。

3.1.1可见性问题是怎样得到保障的呢？

Java内存模型规定：对volatile变量v的写入，与所有其他线程后续对v的读操作同步。（这里的 ***同步*** 等同于 ***可见***）
           

3.2 volatile关键字有哪些功能？

• 禁止缓存（对volatile变量的读写都不涉及CPU高速缓存）。
• 对volatile变量相关的指令不做重排序。

4 小结

• Java内存模型是多线程程序中对线程合法行为的语义规范。
• Java源代码经编译后得到.class字节码文件，字节码将交由JVM去处理执行。这其中涉及到JVM运行时数据区。JVM运行时数据区主要分为：堆内存、方法区、虚拟机栈、本地方法栈和程序计数器。其中堆内存和方法区属于线程共享的内存区域。虚拟机栈、本地方法栈和程序计数器则属于线程独享的内存区域。
• volatile关键字主要解决共享变量的可见性问题。对于volatile变量，禁止缓存和不使用指令重排序。

也就是说，volatile关键字发挥的作用，是在Java内存模型所允许的多线程程序语义之内的。