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从volatile说到,i++原子操作,线程安全问题

2016-12-01 14:57 302 查看

1、可见性(Visibility)

可见性是指，当一个线程修改了某一个全局共享变量的数值，其他线程是否能够知道这个修改。

显然，在串行程序来说可见性的问题是不存在的。因为你在任何一个地方操作修改了某个变量，那么在后续的程序里面，读取这个变量的数值，一定是修改后的数值。

但是，这个问题在并行程序里面就不见得了。在并行程序里面，如果一个线程修改了某一个全局变量，那么其他线程未必可以马上知道这个变动。下面的图1展示了可见性问题的一种。如果在CPU1和CPU2上各运行一个线程，他们共享变量t，由于编译器优化或者应该优化的缘故，在CPU1上的线程将变量t进行了优化，将其缓存在Cache中或者寄存器里面。这种情况下，如果在CPU2上的那个线程修改了线程t 的实际数值，那么CPU1上的线程可能并无法意识到这个改动，依然会读取cache中或者寄存器里面的数据。因此，就产生了可见性问题。外在表现就是，变量t
的数值被CPU2上的线程修改，但是CPU1上的线程依然会读到一个旧的数据。

2、原子性(Atomicity)

原子性，指的是一个操作是不可中断的。即使是在多个线程一起执行的时候，一个操作一旦开始，就不会被其他线程打断。

3、Java内存模型的抽象结构( JMM )

在Java中，所有实例域、静态域和数组元素都存储在堆内存中，堆内存在线程之间共享（本章用“共享变量”这个术语代指实例域，静态域和数组元素）。局部变量（Local Variables），方法定义参数（Java语言规范称之为Formal Method Parameters）和异常处理器参数（ExceptionHandler Parameters）不会在线程之间共享，它们不会有内存可见性问题，也不受内存模型的影响。

Java线程之间的通信由Java内存模型（本文简称为JMM）控制，JMM决定一个线程对共享变量的写入何时对另一个线程可见。从抽象的角度来看，JMM定义了线程和主内存之间的抽象关系：线程之间的共享变量存储在主内存（Main Memory）中，每个线程都有一个私有的本地内存（Local Memory），本地内存中存储了该线程以读/写共享变量的副本。本地内存是JMM的一个抽象概念，并不真实存在。它涵盖了缓存、写缓冲区、寄存器以及其他的硬件和编译器优化。Java内存模型的抽象示意如图所示。

图3-1 Java内存模型的抽象结构示意图

从图3-1来看，如果线程A与线程B之间要通信的话，必须要经历下面2个步骤。

1）线程A把本地内存A中更新过的共享变量刷新到主内存中去。

2）线程B到主内存中去读取线程A之前已更新过的共享变量。

下面通过示意图（见图3-2）来说明这两个步骤。

图3-2　线程之间的通信图

如图3-2所示，本地内存A和本地内存B由主内存中共享变量x的副本。假设初始时，这3个内存中的x值都为0。线程A在执行时，把更新后的x值（假设值为1）临时存放在自己的本地内存A中。当线程A和线程B需要通信时，线程A首先会把自己本地内存中修改后的x值刷新到主内存中，此时主内存中的x值变为了1。随后，线程B到主内存中去读取线程A更新后的x值，此时线程B的本地内存的x值也变为了1。

从整体来看，这两个步骤实质上是线程A在向线程B发送消息，而且这个通信过程必须要经过主内存。JMM通过控制主内存与每个线程的本地内存之间的交互，来为Java程序员提供内存可见性保证。

4、volatile

4.1使用volatile以后,做了如下事情

每次修改volatile变量都会同步到主存中。
每次读取volatile变量的值都强制从主存读取最新的值(强制JVM不可优化volatile变量,如JVM优化后变量读取会使用cpu缓存而不从主存中读取)
4.2 volatile解决的是多线程间共享变量的可见性问题，而保证不了多线程间共享变量原子性问题。对于多线程的i++,++i,依然还是会存在多线程问题,volatile是无法解决的.如下:使用一个线程i++,另一个i--,最终得到的结果不为0。

4.2.1 多线程下的i++问题

一个线程对count进行times次的加操作，一个线程对count进行times次的减操作。count最后的结果，不为0.

public class VolatileTest {
private static volatile int count = 0;
private static final int times = 10000;

public static void main(String[] args) {

long curTime = System.nanoTime();

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

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结束
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--");
}
}
}

4.2.2 程序的运行结果

Start thread: Thread[Thread-0,5,main] i--
Start thread: Thread[main,5,main] i++
End thread: Thread[main,5,main] i++
End thread: Thread[Thread-0,5,main] i--
Result: -6240
Duration: 0.00s

4.2.3 i++和++i并非原子操作

原因是i++和++i并非原子操作,我们若查看字节码,会发现

void f1() { i++; }

的字节码如下

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

可见i++执行了多部操作,从变量i中读取读取i的值->值+1 ->将+1后的值写回i中,这样在多线程的时候执行情况就类似如下了

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

这样会造成的问题就是 r1, r3读到的值都是 0,最后两个线程都将
1 写入 i,
最后 i等于 1,但是却进行了两次自增操作。
可知加了volatile和没加volatile都无法解决非原子操作的线程同步问题。
5、使用循环CAS，实现i++原子操作

5.1 关于Java并发包的介绍

Java提供了java.util.concurrent.atomic包来提供线程安全的基本类型包装类。这些包装类都是是用CAS来实现，i++的原子性操作。以AtomicInteger为例子，讲一下 public final int getAndIncrement(){} 方法的实现。

public final int getAndIncrement() {
for (;;) {
int current = get();
int next = current + 1;
if (compareAndSet(current, next))
return current;
}
}

5.2 使用循环CAS，来实现i++的原子性操作

public class AtomicIntegerTest {
private static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
private static final int times = 10000;
AtomicInteger atomicInteger;

public static void main(String[] args) {

long curTime = System.nanoTime();

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

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

for (int i = 0; i < times; i++) {
// 进行自加的操作
count.getAndIncrement();
}

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

// 等待decThread结束
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++) {
// 进行自减的操作
count.getAndDecrement();
}
System.out
.println("End thread: " + Thread.currentThread() + " i--");
}
}
}

5.3 程序的运行结果

Start thread: Thread[main,5,main] i++
Start thread: Thread[Thread-0,5,main] i--
End thread: Thread[Thread-0,5,main] i--
End thread: Thread[main,5,main] i++
Result: 0
Duration: 0.00s

6、使用锁机制，实现i++原子操作

6.1 使用锁机制，实现i++原子操作

package com.baowei.yuanzi;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class LockTest {
private static int count = 0;
private static final int times = 10000;

// 使用Lock实现，多线程的数据同步
public static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

public static void main(String[] args) {

long curTime = System.nanoTime();

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

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

for (int i = 0; i < times; i++) {
// 进行自加的操作
try {
lock.lock();
count++;
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
}

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

// 等待decThread结束
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++) {
// 进行自减的操作
try {
lock.lock();
count--;
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
}
System.out
.println("End thread: " + Thread.currentThread() + " i--");
}
}
}

6.2 程序的运行结果

Start thread: Thread[Thread-0,5,main] i--
Start thread: Thread[main,5,main] i++
End thread: Thread[main,5,main] i++
End thread: Thread[Thread-0,5,main] i--
Result: 0
Duration: 0.04s

7、使用synchronized，实现i++原子操作

7.1 使用synchronized，实现i++原子操作

package com.baowei.yuanzi;

public class SynchronizedTest {
private static int count = 0;
private static final int times = 1000000;

public static void main(String[] args) {

long curTime = System.nanoTime();

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

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

for (int i = 0; i < times; i++) {
// 进行自加的操作
synchronized (SynchronizedTest.class) {
count++;
}

}

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

// 等待decThread结束
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++) {
// 进行自减的操作
synchronized (SynchronizedTest.class) {
count--;
}
}
System.out
.println("End thread: " + Thread.currentThread() + " i--");
}
}
}

7.2 程序的运行结果

Start thread: Thread[main,5,main] i++
Start thread: Thread[Thread-0,5,main] i--
End thread: Thread[Thread-0,5,main] i--
End thread: Thread[main,5,main] i++
Result: 0
Duration: 0.03s

8、参考的资料

8.1 Java 高并发程序设计（21页）

8.2 http://www.cnblogs.com/zemliu/p/3298685.html

8.3 Java 并发编程的艺术 ( The Art of Java Concurrency Programming ) (22-23 页)

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标签： 多线程 i++的原子性原子性可见性

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