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java中volatile关键字的详解

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发布于 2016/12/08 15:35
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在java线程并发处理中,有一个关键字volatile的使用目前存在很大的混淆,以为使用这个关键字,在进行多线程并发处理的时候就可以万事大吉。

Java语言是支持多线程的,为了解决线程并发的问题,在语言内部引入了 同步块 和 volatile 关键字机制。

synchronized 

同步块大家都比较熟悉,通过 synchronized 关键字来实现,所有加上synchronized 修饰的块语句和方法,在多线程访问的时候,同一时刻只能有一个线程能够用

synchronized 修饰的方法 或者 代码块。

volatile

用volatile修饰的变量,线程在每次使用变量的时候,都会读取变量修改后的最的值。volatile很容易被误用,用来进行原子性操作。

下面看一个例子,我们实现一个计数器,每次线程启动的时候,会调用计数器inc方法,对计数器进行加一

public class Counter {
 
    public static int count = 0;
 
    public static void inc() {
 
        //这里延迟1毫秒,使得结果明显
        try {
            Thread.sleep(1);
        } catch (InterruptedException e) {
        }
 
        count++;
    }
 
    public static void main(String[] args) {
 
        //同时启动1000个线程,去进行i++计算,看看实际结果
 
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    Counter.inc();
                }
            }).start();
        }
 
        //这里每次运行的值都有可能不同,可能为1000
        System.out.println("运行结果:Counter.count=" + Counter.count);
    }
}

运行结果:Counter.count=966

实际运算结果每次可能都不一样,本机的结果为:运行结果:Counter.count=995,可以看出,在多线程的环境下,Counter.count并没有期望结果是1000

很多人以为,这个是多线程并发问题,只需要在变量count之前加上volatile就可以避免这个问题,那我们在修改代码看看,看看结果是不是符合我们的期望

public class Counter {
 
    public volatile static int count = 0;
 
    public static void inc() {
 
        //这里延迟1毫秒,使得结果明显
        try {
            Thread.sleep(1);
        } catch (InterruptedException e) {
        }
 
        count++;
    }
 
    public static void main(String[] args) {
 
        //同时启动1000个线程,去进行i++计算,看看实际结果
 
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    Counter.inc();
                }
            }).start();
        }
 
        //这里每次运行的值都有可能不同,可能为1000
        System.out.println("运行结果:Counter.count=" + Counter.count);
    }
}

运行结果:Counter.count=978

运行结果还是没有我们期望的1000,下面我们分析一下原因

在 java 垃圾回收整理一文中,描述了jvm运行时刻内存的分配。其中有一个内存区域是jvm虚拟机栈,每一个线程运行时都有一个线程栈,

线程栈保存了线程运行时候变量值信息。当线程访问某一个对象的值的时候,首先通过对象的引用找到对应在堆内存的变量的值,然后把堆内存

变量的具体值load到线程本地内存中,建立一个变量副本,之后线程就不再和对象在堆内存变量值有任何关系,而是直接修改副本变量的值,

在修改完之后的某一个时刻(线程退出之前),自动把线程变量副本的值回写到对象在堆中变量。这样在堆中的对象的值就产生变化了。下面一幅图

描述这写交互

read and load 从主存复制变量到当前工作内存
use and assign  执行代码,改变共享变量值 
store and write 用工作内存数据刷新主存相关内容

其中use and assign 可以多次出现

但是这一些操作并不是原子性,也就是 在read load之后,如果主内存count变量发生修改之后,线程工作内存中的值由于已经加载,不会产生对应的变化,所以计算出来的结果会和预期不一样

对于volatile修饰的变量,jvm虚拟机只是保证从主内存加载到线程工作内存的值是最新的

例如假如线程1,线程2 在进行read,load 操作中,发现主内存中count的值都是5,那么都会加载这个最新的值

在线程1堆count进行修改之后,会write到主内存中,主内存中的count变量就会变为6

线程2由于已经进行read,load操作,在进行运算之后,也会更新主内存count的变量值为6

导致两个线程即使用volatile关键字修改之后,还是会存在并发的情况。

volatile保证了可见性,即一个线程修改了inc,那么其他线程在下次读取inc的时候会从内存读取而不是高速缓存。但对于已经读取inc的线程就无能为了了,即没有保证整个读取、修改、回写的原子性。

加锁机制既可以确保可见性又可以确保原子性,而volatile变量只能确保可见性。

经验证volitile是不能保证原子性,代码如下:

import java.util.concurrent.CountDownLatch;

public class Test {
    static  class MyObject {
    	
        static  int mycount = 0;
        
        public static  void inc(CountDownLatch latch) {
            MyObject.mycount++;
            latch.countDown();
        }
    }
 
    public static void main(String[] args) throws Exception{
 
        final CountDownLatch latch=new CountDownLatch(100000);
        for (int i = 0; i < 100000; i++) {
            new Thread(new Runnable() {
 
                @Override
                public void run() {
                    MyObject.inc(latch);
                }
            }).start();
        }
         
        latch.await();//等待所有工人完成工作 
        System.out.println("运行结果:Counter.count=" + MyObject.mycount);
    }
}

对volatile声明的变量单个调用时保持原子性,复合调用时代码不具备原子性,网上有一段代码:
 

class VolatileFeaturesExample {
    volatile long vl = 0L;  //使用volatile声明64位的long型变量
 
    public void set(long l) {
        vl = l;   //单个volatile变量的写
    }
 
    public void getAndIncrement () {
        vl++;    //复合(多个)volatile变量的读/写
    }
 
 
    public long get() {
        return vl;   //单个volatile变量的读
    }
}

上述代码在多线程调用时类似下面:

class VolatileFeaturesExample {
    long vl = 0L;               // 64位的long型普通变量
 
    public synchronized void set(long l) {     //对单个的普通 变量的写用同一个监视器同步
        vl = l;
    }
 
    public void getAndIncrement () { //普通方法调用
        long temp = get();           //调用已同步的读方法
        temp += 1L;                  //普通写操作, <b>这里不具备原子性</b>       
        set(temp);                   //调用已同步的写方法
    }
    public synchronized long get() {
    //对单个的普通变量的读用同一个监视器同步
        return vl;
    }
}

上面帖子最后一张线程工作内存的图就说明了不加volatile关键字的情况,如果加了volatile JMM就会强制线程读\写操作直接跟主内存交互,禁用线程工作内存,但是i++这种操作还会有个temp变量作为中间过渡,以致于导致线程不安全。

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