Volatile與多線程

lijinke666 發(fā)布于2019-08-16 14:30 / 403人閱讀

摘要：一前言我們知道在多線程的場景下，線程安全是必須要著重考慮的。變量可用于提供線程安全，但是只能應(yīng)用于非常有限的一組用例多個(gè)變量之間或者某個(gè)變量的當(dāng)前值與修改后值之間沒有約束。

一、前言

我們知道在多線程的場景下，線程安全是必須要著重考慮的。Java語言包含兩種內(nèi)在的同步機(jī)制：同步塊（synchronize關(guān)鍵字）和 volatile 變量。但是其中 Volatile 變量雖然使用簡單，有時(shí)候開銷也比較低，但是同時(shí)它的同步性較差，而且其使用也更容易出錯(cuò)。下面我們先使用一個(gè)例子來展示下volatile有可能出現(xiàn)線程不安全的情況：

public class ShareDataVolatile {
    //同時(shí)創(chuàng)建十個(gè)線程，每個(gè)線程自增100次
    //主程序等待3秒讓所有線程全部運(yùn)行完畢后輸出最后的count值

    //使用volatile修飾計(jì)數(shù)變量count
    public volatile static int count=0;
    public static void main(String[] args){
        final ShareDataVolatile data  = new ShareDataVolatile();
        for(int i=0;i<10;i++){
            new Thread(
                    new Runnable(){
                        public void run(){
                            try{
                                Thread.sleep(1);
                            }catch(InterruptedException e){
                                e.printStackTrace();
                            }
                            for(int j=0;j<100;j++){
                                data.addCount();
                            }
                            System.out.print(count+" ");
                        }
                    }
                ).start();              
        }
        try{
            Thread.sleep(3000);
        }catch(InterruptedException e){
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println();
        System.out.print("count="+count);
    }
    public void addCount(){
        count++;
    }
}

運(yùn)行結(jié)果：

200 200 416 585 755 742 513 513 501 855

count=855
多次運(yùn)行結(jié)果最后的count都不是預(yù)計(jì)的1000，這說明使用volatile變量并不能保證線程安全。

二、原因分析

鎖提供了兩種主要特性：互斥（mutual exclusion）和可見性（visibility）。
互斥即一次只允許一個(gè)線程持有某個(gè)特定的鎖，因此可使用該特性實(shí)現(xiàn)對共享數(shù)據(jù)的協(xié)調(diào)訪問協(xié)議，這樣，一次就只有一個(gè)線程能夠使用該共享數(shù)據(jù)。可見性要更加復(fù)雜一些，它必須確保釋放鎖之前對共享數(shù)據(jù)做出的更改對于隨后獲得該鎖的另一個(gè)線程是可見的 —— 如果沒有同步機(jī)制提供的這種可見性保證，線程看到的共享變量可能是修改前的值或不一致的值，這將引發(fā)許多嚴(yán)重問題。
Volatile 變量具有 synchronized 的可見性特性，但是不具備原子特性。這就是說線程能夠自動發(fā)現(xiàn) volatile 變量的最新值。Volatile 變量可用于提供線程安全，但是只能應(yīng)用于非常有限的一組用例：多個(gè)變量之間或者某個(gè)變量的當(dāng)前值與修改后值之間沒有約束。因此，多帶帶使用 volatile 還不足以實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器、互斥鎖或任何具有與多個(gè)變量相關(guān)的不變式（Invariants）的類（例如 “start <=end”）。
所以例子中雖然增量操作（count++）看上去類似一個(gè)多帶帶操作，實(shí)際上它是一個(gè)由讀取－修改－寫入操作序列組成的組合操作，必須以原子方式執(zhí)行，而 volatile 不能對組合操作提供必須的原子特性。實(shí)現(xiàn)正確的操作需要使 count 的值在操作期間保持不變，而 volatile 變量無法實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)。

三、JVM內(nèi)存操作模型

在 java 垃圾回收整理一文中，描述了jvm運(yùn)行時(shí)刻內(nèi)存的分配。其中有一個(gè)內(nèi)存區(qū)域是jvm虛擬機(jī)棧，每一個(gè)線程運(yùn)行時(shí)都有一個(gè)線程棧，線程棧保存了線程運(yùn)行時(shí)候變量值信息。當(dāng)線程訪問某一個(gè)對象時(shí)候值的時(shí)候，首先通過對象的引用找到對應(yīng)在堆內(nèi)存的變量的值，然后把堆內(nèi)存變量的具體值load到線程本地內(nèi)存中，建立一個(gè)變量副本，之后線程就不再和對象在堆內(nèi)存變量值有任何關(guān)系，而是直接修改副本變量的值，在修改完之后的某一個(gè)時(shí)刻（線程退出之前），自動把線程變量副本的值回寫到對象在堆中變量。這樣在堆中的對象的值就產(chǎn)生變化了。下面一幅圖描述這寫交互:

read and load 從主存復(fù)制變量到當(dāng)前工作內(nèi)存
use and assign 執(zhí)行代碼，改變共享變量值
store and write 用工作內(nèi)存數(shù)據(jù)刷新主存相關(guān)內(nèi)容
其中use and assign 可以多次出現(xiàn),但是這一些操作并不是原子性，也就是在read load之后，如果主內(nèi)存count變量發(fā)生修改之后，線程工作內(nèi)存中的值由于已經(jīng)加載，不會產(chǎn)生對應(yīng)的變化，所以計(jì)算出來的結(jié)果會和預(yù)期不一樣對于volatile修飾的變量，jvm虛擬機(jī)只是保證從主內(nèi)存加載到線程工作內(nèi)存的值是最新的,例如:

假如線程1，線程2 在進(jìn)行ead,load 操作中，發(fā)現(xiàn)主內(nèi)存中count的值都是5，那么都會加載這個(gè)最新的值 
在線程1堆count進(jìn)行修改之后，會write到主內(nèi)存中，主內(nèi)存中的count變量就會變?yōu)? 
線程2由于已經(jīng)進(jìn)行read,load操作，在進(jìn)行運(yùn)算之后，也會更新主內(nèi)存count的變量值為6 
導(dǎo)致兩個(gè)線程及時(shí)用volatile關(guān)鍵字修改之后，還是會存在并發(fā)的情況。

四、Volatile的優(yōu)勢與使用條件

看了上面的，大家可能已經(jīng)對volatile表示十分失望，不打算使用它了，然后volatile的存在肯定有它存在的意義：

1.簡易性：在某些情形下，使用 volatile 變量要比使用相應(yīng)的鎖簡單得多。 
2.性能：某些情況下，volatile 變量同步機(jī)制的性能要優(yōu)于鎖。 
對 JVM 內(nèi)在的操作而言，我們難以抽象地比較 volatile 和 synchronized 的開銷。但是大部分情況下，在目前大多數(shù)的處理器架構(gòu)上，volatile 讀操作開銷非常低 —— 幾乎和非 volatile 讀操作一樣。而 volatile 寫操作的開銷要比非 volatile 寫操作多很多，因?yàn)橐ＷC可見性需要實(shí)現(xiàn)內(nèi)存界定（Memory Fence），即便如此，volatile 的總開銷仍然要比鎖獲取低。 
volatile 操作不會像鎖一樣造成阻塞，因此，在能夠安全使用 volatile 的情況下，volatile 可以提供一些優(yōu)于鎖的可伸縮特性。如果讀操作的次數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過寫操作，與鎖相比，volatile 變量通常能夠減少同步的性能開銷。

所以我們需要明確可以使用volatile的條件有兩點(diǎn)：

1.對變量的寫操作不依賴于當(dāng)前值。 
2.該變量沒有包含在具有其他變量的不變式中。

五、結(jié)束語

與鎖相比，Volatile 變量是一種非常簡單但同時(shí)又非常脆弱的同步機(jī)制，它在某些情況下將提供優(yōu)于鎖的性能和伸縮性。如果嚴(yán)格遵循 volatile 的使用條件 —— 即變量真正獨(dú)立于其他變量和自己以前的值 —— 在某些情況下可以使用 volatile 代替 synchronized 來簡化代碼。然而，使用 volatile 的代碼往往比使用鎖的代碼更加容易出錯(cuò)。
另外如果不是很在意性能方面，并且希望實(shí)現(xiàn)簡潔明了的技術(shù)器功能，可以參考我博客內(nèi)的另一篇介紹AtomicInteger類的文章，該類可以實(shí)現(xiàn)原子性操作，從而保證線程安全：http://blog.csdn.net/roy_70/a...

參考文章：
Java 理論與實(shí)踐: 正確使用 Volatile 變量：
https://www.ibm.com/developer...