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保证有序性
实现可见性
保证原子性:单次读/写
保证有序性
Volatile保证有序性(禁止指令重排序优化,jkd1.5以后重新修复):先行先发生原则中volatile变量规则:对一个volatile变量的写操作先行发生于(能被后面的读操作感知到)后面(时间上)对这个变量的读操作。通过内存屏障(Memory Barrier)实现,指令重排序时不能把后面的指令重排序到内存屏障之前的位置。
从一个最经典的例子来分析重排序问题。在并发环境下的单例实现方式,我们通常可以采用双重检查加锁(DCL)的方式来实现。其源码如下:
public class Singleton {
public static volatile Singleton singleton;
/**
* 构造函数私有,禁止外部实例化
*/
private Singleton() {};
public static Singleton getInstance() {
if (singleton == null) {
synchronized (singleton.class) {
if (singleton == null) {
singleton = new Singleton();
}
}
}
return singleton;
}
}
现在分析一下为什么要在变量singleton之间加上volatile关键字。要理解这个问题,先要了解对象的构造过程,实例化一个对象其实可以分为三个步骤:
- 分配内存空间。
- 初始化对象。
- 将内存空间的地址赋值给对应的引用。
但是由于操作系统可以对指令进行重排序,所以上面的过程也可能会变成如下过程:
- 分配内存空间。
- 将内存空间的地址赋值给对应的引用。
- 初始化对象
如果是这个流程,多线程环境下就可能将一个未初始化的对象引用暴露出来,从而导致不可预料的结果。因此,为了防止这个过程的重排序,需要将变量设置为volatile类型的变量。
实现可见性
可见性问题主要指一个线程修改了共享变量值,而另一个线程却看不到。引起可见性问题的主要原因是每个线程拥有自己的一个高速缓存区——线程工作内存。volatile关键字能有效的解决这个问题,我们看下下面的例子,就可以知道其作用:
public class VolatileTest {
int a = 1;
int b = 2;
public void change(){
a = 3;
b = a;
}
public void print(){
System.out.println("b="+b+";a="+a);
}
public static void main(String[] args) {
while (true){
final VolatileTest test = new VolatileTest();
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
Thread.sleep(10);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
test.change();
}
}).start();
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
Thread.sleep(10);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
test.print();
}
}).start();
}
}
}
直观上说,这段代码的结果只可能有两种:b=3;a=3 或 b=2;a=1。不过运行上面的代码(可能时间上要长一点),你会发现除了上两种结果之外,还出现了第三种结果:
......
b=2;a=1
b=2;a=1
b=3;a=3
b=3;a=3
b=3;a=1 // 这里
b=3;a=3
b=2;a=1
b=3;a=3
b=3;a=3
......
为什么会出现b=3;a=1这种结果呢? 正常情况下,如果先执行change方法,再执行print方法,输出结果应该为b=3;a=3。相反,如果先执行的print方法,再执行change方法,结果应该是 b=2;a=1。那b=3;a=1的结果是怎么出来的? 原因就是第一个线程将值a=3修改后,但是对第二个线程是不可见的,所以才出现这一结果。如果将a和b都改成volatile类型的变量再执行,则再也不会出现b=3;a=1的结果了。
保证原子性:单次读/写
volatile不能保证完全的原子性,只能保证单次的读/写操作具有原子性。
问题: i++为什么不能保证原子性?
对于原子性,需要强调一点,也是大家容易误解的一点:对volatile变量的单次读/写操作可以保证原子性的,如long和double类型变量,但是并不能保证i++这种操作的原子性,因为本质上i++是读、写两次操作。
现在我们就通过下列程序来演示一下这个问题:
public class VolatileTest01 {
volatile int i;
public void addI(){
i++;
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
final VolatileTest01 test01 = new VolatileTest01();
for (int n = 0; n < 1000; n++) {
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
Thread.sleep(10);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
test01.addI();
}
}).start();
}
Thread.sleep(10000);//等待10秒,保证上面程序执行完成
System.out.println(test01.i);
}
}
大家可能会误认为对变量i加上关键字volatile后,这段程序就是线程安全的。大家可以尝试运行上面的程序。下面是我本地运行的结果:981 可能每个人运行的结果不相同。不过应该能看出,volatile是无法保证原子性的(否则结果应该是1000)。原因也很简单,i++其实是一个复合操作,包括三步骤:
- 读取i的值。
- 对i加1。
- 将i的值写回内存。 volatile是无法保证这三个操作是具有原子性的,我们可以通过AtomicInteger或者Synchronized来保证+1操作的原子性。
总结一下, Volatile不能保证原子性。如果我们对一个volatile修饰的变量进行多线程下的自增操作,还是会出现线程安全问题。根本原因在于volatile关键字无法对自增进行安全性修饰,因为自增分为三步,读取、+1、写入。中间多个线程同时执行+1操作,还是会出现线程安全性问题。