volatile是否就是原子性/线程同步的

Posted 2020-10-01 stackOverFlow

　　在java线程并发处理中，有一个关键字volatile的使用目前存在很大的混淆，以为使用这个关键字，在进行多线程并发处理的时候就可以万事大吉。

　　Java语言是支持多线程的，为了解决线程并发的问题，在语言内部引入了同步块synchronized和volatile关键字机制。

 

synchronized

　　同步块大家都比较熟悉，通过synchronized关键字来实现，所有加上synchronized和块语句，在多线程访问的时候，同一时刻只能有一个线程能够用synchronized修饰的方法 或者代码块。

 

volatile

 　　用volatile修饰的变量，线程在每次使用变量的时候，都会读取变量修改后的最新的值。volatile很容易被误用，用来进行原子性操作。

 　　下面看一个例子，我们实现一个计数器，每次线程启动的时候，会调用计数器inc方法，对计数器进行加一：

public class TestVolatile {
    /*
     * 执行环境——jdk版本：jdk1.6.0_31 ，内存 ：3G cpu：x86 2.4G
     */
    public static int count = 0;

    public static void inc() {
        // 这里延迟1毫秒，使得结果明显
        try {
            Thread.sleep(1);
        } catch (InterruptedException e) {}
        count++;
    }

    public static void main(String[] args) {
        // 同时启动1000个线程，去进行i++计算，看看实际结果
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            new Thread(new Runnable() {
                public void run() {
                    TestVolatile.inc();
                }
            }).start();
        }
        // 这里每次运行的值都有可能不同,可能为1000
        System.out.println("运行结果:TestVolatile.count=" + TestVolatile.count);
    }
}
// 运行结果:Counter.count=995

 　　实际运算结果每次可能都不一样，本机的结果为：运行结果:Counter.count=995，可以看出，在多线程的环境下，Counter.count并没有期望结果是1000。 　　很多人以为，这个是多线程并发问题，只需要在变量count之前加上volatile就可以避免这个问题，那我们在修改代码看看，看看结果是不是符合我们的期望。

public class TestVolatile {
    public volatile static int count = 0;

    public static void inc() {
        // 这里延迟1毫秒，使得结果明显
        try {
            Thread.sleep(1);
        } catch (InterruptedException e) {
        }
        count++;
    }

    public static void main(String[] args) {
        // 同时启动1000个线程，去进行i++计算，看看实际结果
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            new Thread(new Runnable() {
                public void run() {
                    TestVolatile.inc();
                }
            }).start();
        }
        // 这里每次运行的值都有可能不同,可能为1000
        System.out.println("运行结果:TestVolatile.count=" + TestVolatile.count);
    }
}
//运行结果:Counter.count=992

　　运行结果还是没有我们期望的1000，下面我们分析一下原因：

　　 在 java 垃圾回收整理一文中，描述了jvm运行时刻内存的分配。其中有一个内存区域是jvm虚拟机栈，每一个线程运行时都有一个线程栈，线程栈保存了线程运行时候变量值信息。当线程访问某一个对象时候值的时候，首先通过对象的引用找到对应在堆内存的变量的值，然后把堆内存变量的具体值load到线程本地内存中，建立一个变量副本，之后线程就不再和对象在堆内存变量值有任何关系，而是直接修改副本变量的值，在修改完之后的某一个时刻（线程退出之前），自动把线程变量副本的值回写到对象在堆中变量。这样在堆中的对象的值就产生变化了。下面一幅图描述这些交互：

　　　　　　　　　　　　　　

　　read and load：从主存复制变量到当前工作内存。
　　use and assign：执行代码，改变共享变量值 。
　　store and write：用工作内存数据刷新主存相关内容。

　　其中use and assign 可以多次出现。

　　但是这一些操作并不是原子性，也就是 在read load之后，如果主内存count变量发生修改之后，线程工作内存中的值由于已经加载，不会产生对应的变化，所以会出现多线程并发问题。

　　volatile关键字用在多线程，同步变量。 线程为了提高效率，将某成员变量(如A)拷贝了一份（如B），线程中对A的访问其实访问的是B。只在某些动作时才进行A和B的同步。因此存在A和B不一致的情况。volatile就是用来避免这种情况的。volatile告诉jvm， 它所修饰的变量不保留拷贝，直接访问主内存中的（也就是上面说的A) 。

　　Volatile一般情况下不能代替sychronized，因为volatile不能保证操作的原子性，即使只是i++，实际上也是由多个原子操作组成：read i; inc; write i，假如多个线程同时执行i++，volatile只能保证他们操作的i是同一块内存，但依然可能出现写入脏数据的情况。如果配合Java 5增加的atomic wrapper classes，对它们的increase之类的操作就不需要sychronized。 

　　volatile是变量修饰符，而synchronized则作用于一段代码或方法。volatile只是在线程内存和“主”内存间同步某个变量的值，而synchronized通过锁定和解锁某个监视器同步所有变量的值。显然synchronized要比volatile消耗更多资源。 

　　volatile关键字用于声明简单类型变量，如int、float、 boolean等数据类型。如果这些简单数据类型声明为volatile，对它们的操作就会变成原子级别的。但这有一定的限制。

 　　当变量的值由自身的上一个决定时，如n=n+1、n++ 等，就不是原子操作。只有当变量的值和自身上一个值无关时对该变量的操作才是原子级别的，如n = m + 1，这个就是原级别的。所以在使用volatile关键时一定要谨慎，如果自己没有把握，可以使用synchronized来代替volatile。