從volatile說到i++的線程安全問題

簡介

volatile關(guān)鍵字保證了在多線程環(huán)境下,被修飾的變量在別修改后會(huì)馬上同步到主存,這樣該線程對(duì)這個(gè)變量的修改就是對(duì)所有其他線程可見的,其他線程能夠馬上讀到這個(gè)修改后值.

Thread的本地內(nèi)存

• 每個(gè)Thread都擁有自己的線程存儲(chǔ)空間

• Thread何時(shí)同步本地存儲(chǔ)空間的數(shù)據(jù)到主存是不確定的

例子

借用Google JEREMY MANSON 的解釋,上圖表示兩個(gè)線程并發(fā)執(zhí)行,而且代碼順序上為Thread1->Thread2

1. 不用 volatile

假如ready字段不使用volatile,那么Thread 1對(duì)ready做出的修改對(duì)于Thread2來說未必是可見的,是否可見是不確定的.假如此時(shí)thread1 ready泄露了(leak through)了,那么Thread 2可以看見ready為true,但是有可能answer的改變并沒有泄露,則thread2有可能會(huì)輸出 0 (answer=42對(duì)thread2并不可見)

2. 使用 volatile

使用volatile以后,做了如下事情

• 每次修改volatile變量都會(huì)同步到主存中

• 每次讀取volatile變量的值都強(qiáng)制從主存讀取最新的值(強(qiáng)制JVM不可優(yōu)化volatile變量,如JVM優(yōu)化后變量讀取會(huì)使用cpu緩存而不從主存中讀取)

• 線程 A 中寫入 volatile 變量之前可見的變量, 在線程 B 中讀取該 volatile 變量以后, 線程 B 對(duì)其他在 A 中的可見變量也可見. 換句話說, 寫 volatile 類似于退出同步塊, 而讀取 volatile 類似于進(jìn)入同步塊

所以如果使用了volatile,那么Thread2讀取到的值為read=>true,answer=>42,當(dāng)然使用volatile的同時(shí)也會(huì)增加性能開銷

注意

volatile并不能保證非源自性操作的多線程安全問題得到解決,volatile解決的是多線程間共享變量的「可見性」問題,而例如多線程的i++,++i,依然還是會(huì)存在多線程問題,它是無法解決了.如下:使用一個(gè)線程i++,另一個(gè)i--,最終得到的結(jié)果不為0

public class VolatileTest {

    private static volatile int count = 0;
    private static final int times = Integer.MAX_VALUE;

    public static void main(String[] args) {

        long curTime = System.nanoTime();

        Thread decThread = new DecThread();
        decThread.start();

        // 使用run()來運(yùn)行結(jié)果為0,原因是單線程執(zhí)行不會(huì)有線程安全問題
        // new DecThread().run();

        System.out.println("Start thread: " + Thread.currentThread() + " i++");

        for (int i = 0; i < times; i++) {
            count++;
        }

        System.out.println("End thread: " + Thread.currentThread() + " i--");

        // 等待decThread結(jié)束
        while (decThread.isAlive());

        long duration = System.nanoTime() - curTime;
        System.out.println("Result: " + count);
        System.out.format("Duration: %.2fs\n", duration / 1.0e9);
    }

    private static class DecThread extends Thread {

        @Override
        public void run() {
            System.out.println("Start thread: " + Thread.currentThread() + " i--");
            for (int i = 0; i < times; i++) {
                count--;
            }
            System.out.println("End thread: " + Thread.currentThread() + " i--");
        }
    }
}

最后輸出的結(jié)果是

Start thread: Thread[main,5,main] i++
Start thread: Thread[Thread-0,5,main] i--
End thread: Thread[main,5,main] i--
End thread: Thread[Thread-0,5,main] i--
Result: -460370604
Duration: 67.37s

原因是i++和++i并非原子操作,我們?nèi)舨榭醋止?jié)碼,會(huì)發(fā)現(xiàn)

void f1() { i++; }

的字節(jié)碼如下

void f1();
Code:
0: aload_0
1: dup
2: getfield #2; //Field i:I
5: iconst_1
6: iadd
7: putfield #2; //Field i:I
10: return

可見i++執(zhí)行了多部操作, 從變量i中讀取讀取i的值 -> 值+1 -> 將+1后的值寫回i中,這樣在多線程的時(shí)候執(zhí)行情況就類似如下了

Thread1             Thread2
r1 = i;             r3 = i;               
r2 = r1 + 1;        r4 = r3 + 1;
i = r2;             i = r4;

這樣會(huì)造成的問題就是 r1, r3讀到的值都是 0, 最后兩個(gè)線程都將 1 寫入 i, 最后 i 等于 1, 但是卻進(jìn)行了兩次自增操作

可知加了volatile和沒加volatile都無法解決非原子操作的線程同步問題

線程同步問題的解決

Java提供了java.util.concurrent.atomic 包來提供線程安全的基本類型包裝類,例子如下

package com.qunar.atomicinteger;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

/**
 * @author zhenwei.liu created on 2013 13-9-2 下午10:18
 * @version $Id$
 */
public class SafeTest {

    private static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
    private static final int times = Integer.MAX_VALUE;

    public static void main(String[] args) {

        long curTime = System.nanoTime();

        Thread decThread = new DecThread();
        decThread.start();

        // 使用run()來運(yùn)行結(jié)果為0,原因是單線程執(zhí)行不會(huì)有線程安全問題
        // new DecThread().run();

        System.out.println("Start thread: " + Thread.currentThread() + " i++");

        for (int i = 0; i < times; i++) {
            count.incrementAndGet();
        }

        // 等待decThread結(jié)束
        while (decThread.isAlive());

        long duration = System.nanoTime() - curTime;
        System.out.println("Result: " + count);
        System.out.format("Duration: %.2f\n", duration / 1.0e9);
    }

    private static class DecThread extends Thread {

        @Override
        public void run() {
            System.out.println("Start thread: " + Thread.currentThread() + " i--");
            for (int i = 0; i < times; i++) {
                count.decrementAndGet();
            }
            System.out.println("End thread: " + Thread.currentThread() + " i--");
        }
    }
}

輸出

Start thread: Thread[main,5,main] i++
Start thread: Thread[Thread-0,5,main] i--
End thread: Thread[Thread-0,5,main] i--
Result: 0
Duration: 105.15

結(jié)論

1. volatile解決了線程間共享變量的可見性問題

2. 使用volatile會(huì)增加性能開銷

3. volatile并不能解決線程同步問題

4. 解決i++或者++i這樣的線程同步問題需要使用synchronized或者AtomicXX系列的包裝類,同時(shí)也會(huì)增加性能開銷

長按二維碼，掃掃關(guān)注哦