volatile关键字的线程安全问题总结

简介

volatile关键字保证了在多线程环境下,被修饰的变量在别修改后会马上同步到主存,这样该线程对这个变量的修改就是对所有其他线程可见的,其他线程能够马上读到这个修改后值. 

Thread的本地内存

每个Thread都拥有自己的线程存储空间
Thread何时同步本地存储空间的数据到主存是不确定的

例子

借用Google JEREMY MANSON 的解释,上图表示两个线程并发执行,而且代码顺序上为Thread1->Thread21. 不用 volatile假如ready字段不使用volatile,那么Thread 1对ready做出的修改对于Thread2来说未必是可见的,是否可见是不确定的.假如此时thread1 ready泄露了(leak through)了,那么Thread 2可以看见ready为true,但是有可能answer的改变并没有泄露,则thread2有可能会输出 0 (answer=42对thread2并不可见)2. 使用 volatile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)
线程 A 中写入 volatile 变量之前可见的变量, 在线程 B 中读取该 volatile 变量以后, 线程 B 对其他在 A 中的可见变量也可见. 换句话说, 写 volatile 类似于退出同步块, 而读取 volatile 类似于进入同步块
所以如果使用了volatile,那么Thread2读取到的值为read=>true,answer=>42,当然使用volatile的同时也会增加性能开销 

注意

volatile并不能保证非源自性操作的多线程安全问题得到解决,volatile解决的是多线程间共享变量的可见性问题,而例如多线程的i++,++i,依然还是会存在多线程问题,它是无法解决了.如下:使用一个线程i++,另一个i--,最终得到的结果不为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()来运行结果为0,原因是单线程执行不会有线程安全问题
// 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decThre
4000
ad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--");
}
}
}

最后输出的结果是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 

线程同步问题的解决

Java提供了java.util.concurrent.atomic 包来提供线程安全的基本类型包装类,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()来运行结果为0,原因是单线程执行不会有线程安全问题
// new DecThread().run();

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

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

// 等待decThread结束
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--");
}
}
}

输出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  

结论

volatile解决了线程间共享变量的可见性问题
使用volatile会增加性能开销
volatile并不能解决线程同步问题
解决i++或者++i这样的线程同步问题需要使用synchronized或者AtomicXX系列的包装类,同时也会增加性能开销

java中volatile关键字的含义--volatile并不能做到线程安全

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 和 块语句，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后的值。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 执行环境——jdk版本：jdk1.6.0_31 ，内存 ：3G   cpu：x86 2.4G运行结果:Counter.count=992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时候值的时候，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导致两个线程及时用volatile关键字修改之后，还是会存在并发的情况。