volatile 可见性的模拟分析示例

Posted 2020-12-29 loveyoumi

　　volatile 作为java的关键字之一，必然有它存在的必要性；在很多的资料中，各位大神级的人物都对volatile做了深入的分析，在这里就不在赘述了；不清的朋友可以迁移到这个地址详细了解：https://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3920373.html

　　那么已经了解volatile的作用。这里呢？将使用java代码将把volatile底层 “可见性”给扩大，并已代码的形式展示，volatile的可见性到底是怎么一回事；

　　注意：本人亦不清楚volatile的底层是如何实现的，只是，仅仅只是通过各种资料中对volatile的分析，然后领悟出来的想法；（volatile 可能不是如此实现，切莫较真；有大神知道，也请爽快指教）

　　最后提示：此文仅供参考，切勿入坑；

　　具体实现：

　　1，首先模拟主内存，在该模拟的主内存中只存在一个地址，该地址用于存放一个共享变量；代码如下；

import io.netty.util.internal.ConcurrentSet;

public class MainMemory {

    //模拟主内存中的一块内存地址，并存储有一个数据 0 
    private int data = 0;
    
    //记录持有该内存地址数据的所有对象，以便在内存地址数据被改变时，通知这些对象持有的数据无效；
    private ConcurrentSet<ICacheStatus> cacheHolder = new ConcurrentSet<>();

    /**
     * 模拟使用volatile关键字修饰的变量从主内存读取数据：主内存将保持读取者的一个状态修改通知器，当主内存的数据被修改时，会第一时间通知到数据持有者；
     * read方法和write方式使用synchronized关键字修饰，是为了模拟内存地址数据操作的原子性；
     */
    public synchronized int volatileRead(ICacheStatus cache) {
        cache.setStatus(true);
        cacheHolder.add(cache);
        return data;
    }
    
    /**
     * 模拟非volatile关键字修饰的变量从主内存中读取数据
     */
    public synchronized int read() {
        return data;
    }
    
    /**
     * 模拟向内存地址中写入数据
     */
    public synchronized void write(int outdata) {
        data = outdata;
        //通知缓存持有者，已持有的数据无效
        for(ICacheStatus holder : cacheHolder) {
            holder.setStatus(false);
        }
    }
    
    /**
     * 模拟缓存持有者释放缓存，主内存将在以后的数据改变时，不通知改对象；
     * @param cacheHolder
     */
    public void releaseCache(ICacheStatus outcacheHolder) {
        cacheHolder.remove(outcacheHolder);
    }
    
}

　　2， 缓存状态通知器接口，代码如下：

public interface ICacheStatus {

    void setStatus(boolean status);
}

　　3，模拟线程本地缓存对象，该对象针对于变量是否被volatile变量修饰，提供两种不同的操作：1，volatile修饰的变量，在使用时会检查本地缓存的数据是否过期，如过期，则向主内存重新获取； 2，非volatile修饰的变量，不检查是否过期（当然，这不合理，sun也应该不是这么实现的，仅供模拟   “volatile可见性”的演示；重要的事说n遍）；代码如下：public class ThreadLocalCache implements ICacheStatus     //本地缓存从主内存中读取到的数    private int cache = -1;    /*

     * 模拟当前缓存数据的状态，true可用 ，false为不可用：需要向主内存中再次读取数据；
     */
    private boolean cacheFlag;
    
    //主内存
    private MainMemory mainMemory;
    
    public  ThreadLocalCache(MainMemory mm) {
        this.mainMemory = mm;
　　　　 this.cache = mm.volatileRead(this);
    }

    @Override
    public void setStatus(boolean status) {
        this.cacheFlag = status;
    }
    
    //模拟变量被volatile关键字修饰，在使用前会检查当期缓存的数据是否过期，如果过期则向主内存从新读取；
    public int volatileRead() {
        if(!cacheFlag)
            cache = mainMemory.volatileRead(this);
        return cache;
    }
    
    //模拟非volatile变量的使用；
    public int read() {

        return cache;
    }
    
    public void write(int data) {
        mainMemory.write(data);
    }
    
    /*
     * 模拟gc释放资源
     */
    @Override
    protected void finalize() throws Throwable {
        // TODO Auto-generated method stub
        super.finalize();
        mainMemory.releaseCache(this);
    }
}

　　4， 测试：模拟可见性的影响

　　

    static public void main(String[] args) {
        
        //模拟一个主内存，并且在该主内存中存在一个共享变量
        final MainMemory mainMemory = new MainMemory();
        
        //1.0 模拟 《使用volatile关键字修饰的变量的方式读写数据时，volatile可见性的体现以及对共享变量的影响》
        //1.1模拟创建2个线程的 缓存
        ThreadLocalCache threadCache1 = new ThreadLocalCache(mainMemory);
        ThreadLocalCache threadCache2 = new ThreadLocalCache(mainMemory);
        
        //1.2 模拟两个2线程同时读取了一个volatile关键字修饰变量的值；
        int d1 = threadCache1.volatileRead();
        int d2 = threadCache2.volatileRead();
        System.out.println("独立的线程缓存获取到的数据："  + " ;d1 = " + d1 + " ;d2 = " + d2);
        
        //1.3模拟线程1向主内存中写入了数据，并打印主内存的值；
        threadCache1.write(threadCache1.volatileRead() + 1);
        System.out.println("当线程1修改主内存后，主内存中的值 = " + mainMemory.read());
        
        // 注意： 这里将模拟volatile可见性，以及可见性对其它线程的影响；
        //1.4模拟线程2使用共享变量，并在该共享变量上加1；
        //在使用volatile修饰的共享变量时，会检查当前线程缓存中的值是否可用，否则向 主内存中重新读取；
        //这里线程1在之前已修改了主内存的值，所以线程2值已被通知不可用，线程2向主内存重新读取最新值；
        threadCache2.write(threadCache2.volatileRead() + 1);
        System.out.println("当线程1修改主内存后，主内存中的值 = " + mainMemory.read());
        
        
        //非volatile变量发生多个线程同时读写，修改值预期不一致演示
        
        //模拟一个主内存，并且在该主内存中存在一个共享变量
        final MainMemory mainMemory2 = new MainMemory();
        
        //2.0 模拟 《使用非volatile关键字修饰变量的方式读写数据时，对共享变量的影响》
        //1.1模拟创建2个线程的 缓存
        ThreadLocalCache threadCache3 = new ThreadLocalCache(mainMemory2);
        ThreadLocalCache threadCache4 = new ThreadLocalCache(mainMemory2);
        
        //1.2 模拟两个2线程同时读取了一个非volatile关键字修饰的共享变量的值；
        int d3 = threadCache3.read();
        int d4 = threadCache4.read();
        System.out.println("独立的线程缓存获取到的数据: "+ " ;d3 = " + d3 + " ;d4 = " + d4);
        
        //1.3模拟线程3向主内存中写入了数据，并打印主内存的值；
        threadCache3.write(threadCache3.read() + 1);
        System.out.println("当线程3修改主内存后，主内存中的值 = " + mainMemory2.read());
        
        //注意 ： 这里将模拟使用非volatile变量，在线程缓存中的操作，因为当前缓存不知道数据已过期，并将已过期的数据
        //拿来使用，造成最后得到的值，与预期值不同；
        //1.4模拟线程4向主内存中写入了数据，并打印主内存的值；
        threadCache4.write(threadCache4.read() + 1);
        System.out.println("当线程4修改主内存后，主内存中的值 = " + mainMemory2.read());
        
    }