從 volatile 說到 i++ 的線程安全問題

volatile關鍵字保證了在多線程環境下,被修飾的變量在別修改後會立刻同步到主存,這樣該線程對這個變量的修改就是對全部其餘線程可見的,其餘線程可以立刻讀到這個修改後值.

 

Thread的本地內存

• 每一個Thread都擁有本身的線程存儲空間
• Thread什麼時候同步本地存儲空間的數據到主存是不肯定的

例子

借用Google JEREMY MANSON 的解釋,上圖表示兩個線程併發執行,並且代碼順序上爲Thread1->Thread2

1. 不用 volatile

假如ready字段不使用volatile,那麼Thread 1對ready作出的修改對於Thread2來講未必是可見的,是否可見是不肯定的.假如此時thread1 ready泄露了(leak through)了,那麼Thread 2能夠看見ready爲true,可是有可能answer的改變並無泄露,則thread2有可能會輸出 0 (answer=42對thread2並不可見)

2. 使用 volatile

使用volatile之後,作了以下事情

• 每次修改volatile變量都會同步到主存中
• 每次讀取volatile變量的值都強制從主存讀取最新的值(強制JVM不可優化volatile變量,如JVM優化後變量讀取會使用cpu緩存而不從主存中讀取)
• 在Thread中對volatile變量的寫操做以前的操做對別的Thread都是可見的

因此若是使用了volatile,那麼Thread2讀取到的值爲read=>true,answer=>42,固然使用volatile的同時也會增長性能開銷

 

注意

volatile並不能保證非源自性操做的多線程安全問題獲得解決,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,依然仍是會存在多線程問題,它是沒法解決了.以下:使用一個線程i++,另外一個i--,最終獲得的結果不爲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()來運行結果爲0,緣由是單線程執行不會有線程安全問題 // 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--"); } } }

最後輸出的結果是

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

緣由是i++和++i並不是原子操做,咱們若查看字節碼,會發現

void f1() { i++; }

的字節碼以下

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++執行了多部操做, 從變量i中讀取讀取i的值 -> 值+1 -> 將+1後的值寫回i中,這樣在多線程的時候執行狀況就相似以下了

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

這樣會形成的問題就是 r1, r3讀到的值都是 0, 最後兩個線程都將 1 寫入 i, 最後 i 等於 1, 可是卻進行了兩次自增操做

可知加了volatile和沒加volatile都沒法解決非原子操做的線程同步問題

 

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,例子以下

/* * Copyright (c) 2013 Qunar.com. All Rights Reserved. */ 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()來運行結果爲0,緣由是單線程執行不會有線程安全問題 // 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

 

 

結論

1. volatile解決了線程間共享變量的可見性問題
2. 使用volatile會增長性能開銷
3. volatile並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須要使用synchronized或者AtomicXX系列的包裝類,同時也會增長性能開銷