volatile在i++情况下失效，volatile不是原子的

Posted 2023-03-29

参考技术A

如果你对volatile不陌生的话，应该会知道volatile能够保证共享变量对线程的可见性。
那为什么volatile无法保证 i++ 操作的线程可见性呢？

假设i的初始值为0，现有两个线程，分别为线程1和线程2进行 i++ 操作，我们来分析一下为什么会出现错误。
首先，i++并不是原子操作，我们可以将这个操作拆分为3个步骤。
1、线程从主内存把遍历加载到缓存。
2、线程执行i++操作。
3、线程将i的新值刷新到主内存。

那么进行如下过程，则会发生线程安全问题。
1、线程1将变量加载到缓存。但是还没有执行 i++ 操作。
2、线程2将变量加载到缓存，然后执行i++操作。
3、由于线程2缓存变量已经发生了变化，使得线程1的缓存行无效。
4、按我们以前的理解，由于线程1缓存行无效，那线程1应该主动去主内存load最新的值。而实际上并不是这样的，volatile的作用并不是在变量改变的时候，让其他线程重新加载主内存的变量值，而是置其他线程缓存内的变量值无效。也就是说，假如线程1的i值已经被加载到了寄存器，参与i++运算，那么此时即便线程1的i值被置为无效，那线程1的计算结果也会把线程1从主内存刷新到的缓存值覆盖，导致数据错误。

那么为了解决volatile++这类复合操作的原子性，有什么方案呢？其实方案也比较多的，这里提供两种典型的：
1、使用synchronized关键字
2、使用AtomicInteger/AtomicLong原子类型

synchronized是比较原始的同步手段。它本质上是一个独占的，可重入的锁。当一个线程尝试获取它的时候，可能会被阻塞住，所以高并发的场景下性能存在一些问题。

在某些场景下，使用synchronized关键字和volatile是等价的：
1、写入变量值时候不依赖变量的当前值，或者能够保证只有一个线程修改变量值。
2、写入的变量值不依赖其他变量的参与。
3、读取变量值时候不能因为其他原因进行加锁。
加锁可以同时保证可见性和原子性，而volatile只保证变量值的可见性。

这类原子类型比锁更加轻巧，比如AtomicInteger/AtomicLong分别就代表了整型变量和长整型变量。
在它们的实现中，实际上分别使用的volatile int/volatile long保存了真正的值。因此，也是通过volatile来保证对于单个变量的读写原子性的。
在此基础之上，它们提供了原子性的自增自减操作。比如incrementAndGet方法， 这类方法相对于synchronized的好处是：它们不会导致线程的挂起和重新调度，因为在其内部使用的是CAS非阻塞算法。

所谓的CAS全程为CompareAndSet。直译过来就是比较并设置。这个操作需要接受三个参数：
1、内存位置
2、旧的预期值
3、新值
这个操作的做法就是看指定内存位置的值符不符合旧的预期值，如果符合的话就将它替换成新值。它对应的是处理器提供的一个原子性指令 - CMPXCHG。
比如AtomicLong的自增操作：

我们考虑两个线程T1和T2，同时执行到了上述Step 1处，都拿到了current值为1。然后通过Step 2之后，current在两个线程中都被设置为2。

紧接着，来到Step 3。假设线程T1先执行，此时符合CompareAndSet的设置规则，因此内存位置对应的值被设置成2，线程T1设置成功。当线程T2执行的时候，由于它预期current为1，但是实际上已经变成了2，所以CompareAndSet执行不成功，进入到下一轮的for循环中，此时拿到最新的current值为2，如果没有其它线程感染的话，再次执行CompareAndSet的时候就能够通过，current值被更新为3。
所以不难发现，CAS的工作主要依赖于两点：
1、无限循环，需要消耗部分CPU性能
2、CPU原子指令CompareAndSet
虽然它需要耗费一定的CPU Cycle，但是相比锁而言还是有其优势，比如它能够避免线程阻塞引起的上下文切换和调度。这两类操作的量级明显是不一样的，CAS更轻量一些。

我们说对于volatile变量的读/写操作是原子性的。因为从内存屏障的角度来看，对volatile变量的单纯读写操作确实没有任何疑问。
由于其中掺杂了一个自增的CPU内部操作，就造成这个复合操作不再保有原子性。
然后，讨论了如何保证volatile++这类操作的原子性，比如使用synchronized或者AtomicInteger/AtomicLong原子类。