[Java 并发编程实战] 对 volatile 变量进行实例验证（内含源码）

Posted 2020-11-11 seaicelin

「 天行健，君子以自强不息。地势坤，君子以厚德载物。」———《易经》

volatile 变量，在上一篇文章中已经有简单提及相关概念和用法，这一篇主要对 Volatile 变量的特性进行源码验证。验证它的涉及到的三个特性：

• 可见性
• 指令重排序
• 非原子性

volatile 之可见性验证

上一篇文章中，讲到 volatile 变量通常被当做状态标记使用。其中典型的应用是，检查标记状态，以确定是否退出循环。下面我们直接举个反例，源码如下：

 1    public class Volatile {
 2
 3        boolean ready=true;  //volatile 状态标志变量
 4
 5        private final static int SIZE = 10; //创建10个对象，可改变
 6
 7        public static void main(String[] args) throws InterruptedException{
 8
 9            Volatile vs[]=new Volatile[SIZE];
10
11            for(int n=0;n<SIZE;n++)
12                (vs[n]=new Volatile()).test(); 
13
14            System.out.println("mainThread end");//调用结束打印，死循环时不打印
15        }
16
17        public void test() throws InterruptedException{
18            Thread t2=new Thread(){
19                public void run(){
20                    while(ready);//变量为true时，让其死循环
21                }
22            };
23            Thread t1=new Thread(){
24                public void run(){
25                    ready=false;
26                }
27            };
28            t2.start();
29            Thread.yield();
30            t1.start();
31            t1.join();//保证一次只运行一个测试，以此减少其它线程的调度对 t2对boolValue的响应时间 的影响
32            t2.join();
33        }
34    }

1

其中，ready 变量是我们要验证的 volatile 变量。一开始 ready 初始化为 true,其次启动 t2 线程让其进入死循环；接着，t1 线程启动，并且让 t1 线程先执行，将 ready 改为 false。理论上来讲，此时 t2 线程应该跳出死循环，但是实际上并没有。此时 t2 线程读到的 ready 的值仍然为 true。所以这段程序一直没有打印出结果。这便是多线程间的不可见性问题,官方话术为: 线程 t1 修改后的值对线程 t2 来说并不可见。下图可以看到程序一直处于运行状态：

这里写图片描述

解决办法是：对变量 ready 声明为 volatile，再次执行者段程序，能够顺利打印出 “mainTread end”。volatile 保证了变量 ready 的可见性。

这里写图片描述

另外补充说明我这个例子用的 Java 版本：

这里写图片描述

volatile 之重排序问题说明

有序性：表示程序的执行顺序按照代码的先后顺序执行。通过下面代码，我们将更加直观的理解有序性。

1int a = 1;
2int b = 2;
3a = 3;     //语句A
4b = 4;     //语句B

上面代码，语句 A 一定在语句 B 之前执行吗? 答案是否定的。因为这里可能发生指令重排序。语句 B 可能先于语句 A 先自行。

什么是指令重排序？处理器为了提高运行效率，可能对输入代码进行优化，他不保证程序中各个语句的执行先后顺序同代码中的顺序一致，但是他会保证程序最终执行的结果和代码顺序执行的结果是一致的。

但是下面这种情况，语句 B 一定在 语句 A 之后执行。

1int a = 1;
2int b = 2;
3a = 3;     //语句A
4b = a + 3;     //语句B

原因是，变量 b 依赖 a 的值，重排序时处理器会考虑指令之间的依赖性。

当然，这个 volatile 有什么关系呢？
volatile 变量可以一定程度上保证有序性，volatile 关键字禁止指令重排序。

1//x、y为非volatile变量
2//flag为volatile变量
3
4x = 1;        //语句1
5y = 2;        //语句2
6flag = true;  //语句3
7
8x = 3;         //语句4
9y = 4;       //语句5

这里要说明的是，flag 为 volatile 变量；能保证

1. 语句1，语句2 一定是在语句3的前面执行，但不保证语句1，语句2的执行顺序。
2. 语句4，语句5 一定是在语句3的后面执行，但不保证语句4，语句5的执行顺序。
3. 语句1，语句2 的执行结果，对语句3，语句4，语句5是可见的。

以上，就是关于 volatile 的禁止重排序的说明。、

volatile 之非原子性问题验证

volatile 关键字并不能保证原子性，如自增操作。下面看一个例子：

 1public class Volatile{
 2
 3    private volatile int count = 0;
 4
 5    public static void main(String[] args) {
 6
 7        final Volatile v = new Volatile();
 8
 9        for(int i = 0; i < 1000; i++) {
10            new Thread(new Runnable() {
11
12                @Override
13                public void run() {
14                    // TODO Auto-generated method stub
15                    v.count++;
16                }
17
18            }).start();
19        }
20
21        while(Thread.activeCount() > 1)
22            Thread.yield();
23
24        System.out.println(v.count);
25    }
26
27}

这个程序执行的结果并没有达到我们的期望值，1000。并且每次的运行结果可能都不一样，如下图，有可能是 997 等。

这里写图片描述

来看下面一副图，分解自增操作的步骤。

1. read&load 从主内存复制变量到当前工作内存。
2. use&assign 执行代码，改变共享变量的值。
3. store&write 用工作内存数据刷新主内存相关内容。

这里写图片描述

但是，这一系列的操作并不是原子的。也就是在 read&load 之后，如果主内存 count 发生变化，线程工作内存中的值由于已经加载，不会产生对应的变化。所以计算出来的结果和我们预期不一样。

对于 volatile 修饰的变量，jvm 虚拟机只是保证从主内存加载到线程工作内存中的值是最新的。

所以，假如线程 A 和 B 在read&load 过程中，发现主内存中的值都是5，那么都会加载这个最新的值 5。线程 A 修改后写到主内存,更新主内存的值为6。线程 B 由于已经 read & load,注意到此时线程 B 工作内存中的值还是5， 所以修改后也会将6更新到主内存。

那么两个线程分别进行一次自增操作后，count 只增加了1，结果也就错了。

当然，我们可以通过并发安全类AomicInteger, 内置锁 sychronized,显示锁 ReentrantLock，来规避这个问题，让程序运行结果达到我们的期望值 1000.

1）采用并发安全类 AomicInteger 的方式：

 1import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
 2
 3public class Volatile{
 4
 5    private AtomicInteger  count = new AtomicInteger(0);
 6
 7    public static void main(String[] args) {
 8
 9        final Volatile v = new Volatile();
10
11        for(int i = 0; i < 1000; i++) {
12            new Thread(new Runnable() {
13
14                @Override
15                public void run() {
16                    // TODO Auto-generated method stub
17                    v.count.incrementAndGet();
18                }
19
20            }).start();
21        }
22
23        while(Thread.activeCount() > 1)
24            Thread.yield();
25
26        System.out.println(v.count);
27    }
28
29}

2） 采用内置锁 synchronized 的方式：

 1public class Volatile{
 2
 3    private int count = 0;
 4
 5    public static void main(String[] args) {
 6
 7        final Volatile v = new Volatile();
 8
 9        for(int i = 0; i < 1000; i++) {
10            new Thread(new Runnable() {
11
12                @Override
13                public void run() {
14                    // TODO Auto-generated method stub
15                    synchronized  (this) {
16                        v.count++;
17                    }
18                }
19
20            }).start();
21        }
22
23        while(Thread.activeCount() > 1)
24            Thread.yield();
25
26        System.out.println(v.count);
27    }
28
29}

3）采用显示锁的方式

 1import java.util.concurrent.locks.Lock;
 2import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
 3
 4public class Volatile{
 5
 6    private int count = 0;
 7
 8    Lock lock = new ReentrantLock();
 9
10    public static void main(String[] args) {
11
12        final Volatile v = new Volatile();
13
14        for(int i = 0; i < 1000; i++) {
15            new Thread(new Runnable() {
16
17                @Override
18                public void run() {
19                    // TODO Auto-generated method stub
20                        v.lock.lock();
21                        try {
22                            v.count++;
23                        }finally {
24                            v.lock.unlock();
25                        }
26                }
27
28            }).start();
29        }
30
31        while(Thread.activeCount() > 1)
32            Thread.yield();
33
34        System.out.println(v.count);
35    }
36
37}

参考

http://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3920373.html
https://blog.csdn.net/gao_chun/article/details/45095995
https://blog.csdn.net/xilove102/article/details/52437581