從volatile說到i++的線程安全問題
簡介
volatile關鍵字保證了在多線程環境下,被修飾的變量在別修改後會馬上同步到主存,這樣該線程對這個變量的修改就是對所有其他線程可見的,其他線程能夠馬上讀到這個修改後值.
Thread的本地內存
- 每個Thread都擁有自己的線程存儲空間
- Thread何時同步本地存儲空間的數據到主存是不確定的
例子
借用Google JEREMY MANSON 的解釋,上圖表示兩個線程並發執行,而且代碼順序上為Thread1->Thread2
1. 不用 volatile
假如ready字段不使用volatile,那麽Thread 1對ready做出的修改對於Thread2來說未必是可見的,是否可見是不確定的.假如此時thread1 ready泄露了(leak through)了,那麽Thread 2可以看見ready為true,但是有可能answer的改變並沒有泄露,則thread2有可能會輸出 0 (answer=42對thread2並不可見)
2. 使用 volatile
使用volatile以後,做了如下事情
- 每次修改volatile變量都會同步到主存中
- 每次讀取volatile變量的值都強制從主存讀取最新的值(強制JVM不可優化volatile變量,如JVM優化後變量讀取會使用cpu緩存而不從主存中讀取)
- 線程 A 中寫入 volatile 變量之前可見的變量, 在線程 B 中讀取該 volatile 變量以後, 線程 B 對其他在 A 中的可見變量也可見. 換句話說, 寫 volatile 類似於退出同步塊, 而讀取 volatile 類似於進入同步塊
所以如果使用了volatile,那麽Thread2讀取到的值為read=>true,answer=>42,當然使用volatile的同時也會增加性能開銷
註意
volatile並不能保證非源自性操作的多線程安全問題得到解決,volatile解決的是多線程間共享變量的可見性問題,而例如多線程的i++,++i,依然還是會存在多線程問題,它是無法解決了.如下:使用一個線程i++,另一個i--,最終得到的結果不為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()來運行結果為0,原因是單線程執行不會有線程安全問題
// 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結束
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--");
}
}
}
最後輸出的結果是
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並非原子操作,我們若查看字節碼,會發現
void f1() { i++; }
的字節碼如下
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
可見i++執行了多部操作, 從變量i中讀取讀取i的值 -> 值+1 -> 將+1後的值寫回i中,這樣在多線程的時候執行情況就類似如下了
Thread1 Thread2 r1 = i; r3 = i; r2 = r1 + 1; r4 = r3 + 1; i = r2; i = r4;
這樣會造成的問題就是 r1, r3讀到的值都是 0, 最後兩個線程都將 1 寫入 i, 最後 i 等於 1, 但是卻進行了兩次自增操作
可知加了volatile和沒加volatile都無法解決非原子操作的線程同步問題
線程同步問題的解決
Java提供了java.util.concurrent.atomic 包來提供線程安全的基本類型包裝類,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()來運行結果為0,原因是單線程執行不會有線程安全問題
// new DecThread().run();
System.out.println("Start thread: " + Thread.currentThread() + " i++");
for (int i = 0; i < times; i++) {
count.incrementAndGet();
}
// 等待decThread結束
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--");
}
}
}
輸出
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
結論
- volatile解決了線程間共享變量的可見性問題
- 使用volatile會增加性能開銷
- volatile並不能解決線程同步問題
- 解決i++或者++i這樣的線程同步問題需要使用synchronized或者AtomicXX系列的包裝類,同時也會增加性能開銷
從volatile說到i++的線程安全問題