volatile

Java volatile

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->Thread2

  1. 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--");
        }
    }
}

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，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

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
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

1. volatile解决了线程间共享变量的可见性问题
2. 使用volatile会增加性能开销
3. volatile并不能解决线程同步问题
4. 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