從volatile說到i++的執行緒安全問題
簡介
volatile關鍵字保證了在多執行緒環境下,被修飾的變數在別修改後會馬上同步到主存,這樣該執行緒對這個變數的修改就是對所有其他執行緒可見的,其他執行緒能夠馬上讀到這個修改後值.
Thread的本地記憶體
- 每個Thread都擁有自己的執行緒儲存空間
- Thread何時同步本地儲存空間的資料到主存是不確定的
例子
借用Google JEREMY MANSON 的解釋,上圖表示兩個執行緒併發執行,而且程式碼順序上為Thread1->Thread2
1. 不用 volatile
假如ready欄位不使用volatile,那麼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洩露了(leak through)了,那麼Thread 2可以看見ready為true,但是有可能answer的改變並沒有洩露,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變數都會同步到主存中
- 每次讀取volatile變數的值都強制從主存讀取最新的值(強制JVM不可優化volatile變數,如JVM優化後變數讀取會使用cpu快取而不從主存中讀取)
- 執行緒 A 中寫入 volatile 變數之前可見的變數, 線上程 B 中讀取該 volatile 變數以後, 執行緒 B 對其他在 A 中的可見變數也可見. 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,那麼Thread2讀取到的值為read=>true,answer=>42,當然使用volatile的同時也會增加效能開銷
注意
volatile並不能保證非源自性操作的多執行緒安全問題得到解決,volatile解決的是多執行緒間共享變數的可見性問題,而例如多執行緒的i++,++i,依然還是會存在多執行緒問題,它是無法解決了.如下:使用一個執行緒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()來執行結果為0,原因是單執行緒執行不會有執行緒安全問題 // 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,我們若檢視位元組碼,會發現
void f1() { i++; }的位元組碼如下
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, 從變數i中讀取讀取i的值 -> 值+1 -> 將+1後的值寫回i中,這樣在多執行緒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, 最後兩個執行緒都將 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執行緒同步問題
執行緒同步問題的解決
Java提供了java.util.concurrent.atomic 包來提供執行緒安全的基本型別包裝類,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()來執行結果為0,原因是單執行緒執行不會有執行緒安全問題 // 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解決了執行緒間共享變數的可見性問題
- 使用volatile會增加效能開銷
- volatile並不能解決執行緒同步問題
- 解決i++或者++i這樣的執行緒同步問題需要使用synchronized或者AtomicXX系列的包裝類,同時也會增加效能開銷