面试题：Java内存模型下的可见性问题及解决方案

Question

在Java内存模型中，什么会导致共享变量的可见性问题？请结合volatile关键字和Java内存屏障来解释如何解决可见性问题，同时说明volatile不能保证原子性的原因。

Answer 1

共享变量可见性问题的原因

1. 缓存一致性问题：现代CPU为了提高性能，每个CPU核心都有自己的高速缓存。当一个线程修改了共享变量的值，这个修改首先会写入到该线程所在CPU核心的高速缓存中。其他线程如果从自己的高速缓存中读取该变量，就可能读取到旧值，导致可见性问题。
2. 指令重排序：Java编译器和CPU为了优化程序性能，会对指令进行重排序。在单线程环境下，重排序不会影响程序的最终执行结果。但在多线程环境中，重排序可能会导致一个线程对共享变量的修改，在另一个线程看来顺序是错误的，进而引发可见性问题。

使用volatile关键字和Java内存屏障解决可见性问题

1. volatile关键字：
   • 原理：当一个变量被声明为volatile时，对这个变量的读写会有特殊的内存语义。写入volatile变量时，会立即把该变量值从线程的工作内存刷新到主内存中。读取volatile变量时，会直接从主内存中读取最新值，而不是从线程的工作内存中读取，从而保证了不同线程对该变量的可见性。
   • 结合内存屏障：Java内存模型使用内存屏障来实现volatile的内存语义。在对volatile变量进行写操作时，会在写操作后插入一个StoreStore屏障和一个StoreLoad屏障。StoreStore屏障保证在volatile写之前，所有的普通写操作都已经刷新到主内存；StoreLoad屏障防止volatile写与后续读/写操作重排序。在对volatile变量进行读操作时，会在读操作前插入一个LoadLoad屏障和一个LoadStore屏障。LoadLoad屏障保证在volatile读之后，所有的普通读操作都不会被重排序到volatile读之前；LoadStore屏障防止volatile读与后续写操作重排序。
2. Java内存屏障：内存屏障是一组CPU指令，用于控制特定条件下的重排序和内存可见性问题。除了上述与volatile结合的内存屏障外，不同类型的内存屏障（如LoadLoad、LoadStore、StoreLoad、StoreStore）在不同场景下确保了内存操作的顺序性和可见性，保证多线程环境下数据的一致性。

volatile不能保证原子性的原因

1. 原子性概念：原子操作是指不会被线程调度机制打断的操作，这种操作一旦开始，就一直运行到结束，中间不会有任何线程上下文切换。
2. volatile不保证原子性的原因：
   • 本质：volatile关键字主要解决的是可见性问题，它通过内存屏障等机制保证了对变量的修改能及时被其他线程看到。但是，对于像 i++ 这样的复合操作（读取 - 修改 - 写入），它不是原子的。虽然volatile保证了读取和写入的可见性，但当多个线程同时执行 i++ 操作时，可能会出现以下情况：线程A读取 i 的值，然后线程B也读取 i 的值（此时两者读取的值相同），接着线程A对 i 进行加1操作并写入主内存，线程B也对读取的值进行加1操作并写入主内存，这样最终 i 只增加了1，而不是2，导致结果错误。因为volatile没有对整个复合操作进行同步控制，所以不能保证原子性。要保证原子性，需要使用 synchronized 关键字或者 java.util.concurrent.atomic 包下的原子类（如 AtomicInteger）。