面试题：Java中volatile关键字的可见性原理是什么

Question

请详细阐述在Java内存模型中，volatile关键字是如何保证变量的可见性的，即一个线程对volatile变量的修改如何能及时被其他线程看到。

Answer 1

volatile关键字保证可见性原理

1. 内存屏障机制

   • 当一个变量被声明为volatile时，在对volatile变量进行写操作时，JVM会在写操作后插入一个Store Memory Barrier（存储内存屏障）。这一屏障会确保写操作的结果立即刷新到主内存中，而不是暂时保留在处理器的缓存中。这样，其他处理器缓存中的该变量副本就会失效，因为主内存中的值已经更新。
   • 在对volatile变量进行读操作时，JVM会在读取操作前插入一个Load Memory Barrier（加载内存屏障）。这一屏障会确保在读取volatile变量之前，先从主内存中重新加载最新的值，而不是使用处理器缓存中可能过期的值。

2. 缓存一致性协议

   • 现代多核处理器为了提高性能，每个处理器都有自己的缓存。当一个线程修改了volatile变量，通过上述的内存屏障将修改刷新到主内存后，根据缓存一致性协议（如MESI协议），其他处理器缓存中该变量的副本会被标记为无效。
   • 当其他线程要读取该volatile变量时，由于其缓存中的副本已无效，就必须从主内存中获取最新的值，从而保证了可见性。

3. 禁止指令重排序

   • volatile变量还具有禁止指令重排序的特性。编译器和处理器为了优化程序性能，可能会对指令进行重排序，但volatile变量会限制这种重排序。
   • 对于volatile变量的写操作，其前面的普通写操作不能重排序到volatile写之后；对于volatile变量的读操作，其后面的普通读操作不能重排序到volatile读之前。这保证了对volatile变量的读写操作顺序与代码中的顺序一致，避免因指令重排序导致其他线程看到不一致的数据，从而进一步保证了可见性。