从volatile说到,i++原子操作,线程安全问题

 

1、可见性(Visibility)

        可见性是指,当一个线程修改了某一个全局共享变量的数值,其他线程是否能够知道这个修改。

        显然,在串行程序来说可见性的问题是不存在的。因为你在任何一个地方操作修改了某个变量,那么在后续的程序里面,读取这个变量的数值,一定是修改后的数值。

        但是,这个问题在并行程序里面就不见得了。在并行程序里面,如果一个线程修改了某一个全局变量,那么其他线程未必可以马上知道这个变动。下面的图1展示了可见性问题的一种。如果在CPU1和CPU2上各运行一个线程,他们共享变量t,由于编译器优化或者应该优化的缘故,在CPU1上的线程将变量t进行了优化,将其缓存在Cache中或者寄存器里面。这种情况下,如果在CPU2上的那个线程修改了线程t 的实际数值,那么CPU1上的线程可能并无法意识到这个改动,依然会读取cache中或者寄存器里面的数据。因此,就产生了可见性问题。外在表现就是,变量t 的数值被CPU2上的线程修改,但是CPU1上的线程依然会读到一个旧的数据。

                                                                         

2、原子性(Atomicity)

        原子性,指的是一个操作是不可中断的。即使是在多个线程一起执行的时候,一个操作一旦开始,就不会被其他线程打断。

 

3、Java内存模型的抽象结构( JMM )

        在Java中,所有实例域、静态域和数组元素都存储在堆内存中,堆内存在线程之间共享(本章用“共享变量”这个术语代指实例域,静态域和数组元素)。局部变量(Local Variables),方法定义参数(Java语言规范称之为Formal Method Parameters)和异常处理器参数(ExceptionHandler Parameters)不会在线程之间共享,它们不会有内存可见性问题,也不受内存模型的影响。

        Java线程之间的通信由Java内存模型(本文简称为JMM)控制,JMM决定一个线程对共享变量的写入何时对另一个线程可见。从抽象的角度来看,JMM定义了线程和主内存之间的抽象关系:线程之间的共享变量存储在主内存(Main Memory)中,每个线程都有一个私有的本地内存(Local Memory),本地内存中存储了该线程以读/写共享变量的副本。本地内存是JMM的一个抽象概念,并不真实存在。它涵盖了缓存、写缓冲区、寄存器以及其他的硬件和编译器优化。Java内存模型的抽象示意如图所示。

                                     

                                                                                  图3-1 Java内存模型的抽象结构示意图

              从图3-1来看,如果线程A与线程B之间要通信的话,必须要经历下面2个步骤。

                     1)线程A把本地内存A中更新过的共享变量刷新到主内存中去。

                     2)线程B到主内存中去读取线程A之前已更新过的共享变量。

             下面通过示意图(见图3-2)来说明这两个步骤。

                                  

                                                                                         图3-2 线程之间的通信图

             

            如图3-2所示,本地内存A和本地内存B由主内存中共享变量x的副本。假设初始时,这3个内存中的x值都为0。线程A在执行时,把更新后的x值(假设值为1)临时存放在自己的本地内存A中。当线程A和线程B需要通信时,线程A首先会把自己本地内存中修改后的x值刷新到主内存中,此时主内存中的x值变为了1。随后,线程B到主内存中去读取线程A更新后的x值,此时线程B的本地内存的x值也变为了1。

           从整体来看,这两个步骤实质上是线程A在向线程B发送消息,而且这个通信过程必须要经过主内存。JMM通过控制主内存与每个线程的本地内存之间的交互,来为Java程序员提供内存可见性保证。

4、volatile 

 

  4.1使用volatile以后,做了如下事情

  • 每次修改volatile变量都会同步到主存中。
  • 每次读取volatile变量的值都强制从主存读取最新的值(强制JVM不可优化volatile变量,如JVM优化后变量读取会使用cpu缓存而不从主存中读取)

  4.2 volatile解决的是多线程间共享变量的可见性问题,而保证不了多线程间共享变量原子性问题。对于多线程的i++,++i,依然还是会存在多线程问题,volatile是无法解决的.如下:使用一个线程i++,另一个i--,最终得到的结果不为0。

         4.2.1  多线程下的i++问题

                   一个线程对count进行times次的加操作,一个线程对count进行times次的减操作。count最后的结果,不为0.

 

public class VolatileTest {
    private static volatile int count = 0;
    private static final int times = 10000;
 
    public static void main(String[] args) {
 
        long curTime = System.nanoTime();
 
        Thread decThread = new DecThread();
        decThread.start();
 
        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结束
        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--");
        }
    }
}

 

 

         4.2.2  程序的运行结果

Start thread: Thread[Thread-0,5,main] i--
Start thread: Thread[main,5,main] i++
End thread: Thread[main,5,main] i++
End thread: Thread[Thread-0,5,main] i--
Result: -6240
Duration: 0.00s

 

 

         4.2.3  i++和++i并非原子操作

       原因是i++和++i并非原子操作,我们若查看字节码,会发现

void f1() { i++; } 

       的字节码如下

    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 

可见i++执行了多部操作,从变量i中读取读取i的值->值+1 ->将+1后的值写回i中,这样在多线程的时候执行情况就类似如下了

    Thread1             Thread2  
    r1 = i;             r3 = i;                 
    r2 = r1 + 1;        r4 = r3 + 1;  
    i = r2;             i = r4;  

       这样会造成的问题就是 r1, r3读到的值都是 0,最后两个线程都将 1 写入 i, 最后 i等于 1,但是却进行了两次自增操作。

       可知加了volatile和没加volatile都无法解决非原子操作的线程同步问题。

5、使用循环CAS,实现i++原子操作

       5.1   关于Java并发包的介绍

 

        Java提供了java.util.concurrent.atomic包来提供线程安全的基本类型包装类。这些包装类都是是用CAS来实现,i++的原子性操作。以AtomicInteger为例子,讲一下 public final int getAndIncrement(){} 方法的实现。

public final int getAndIncrement() {
        for (;;) {
            int current = get();
            int next = current + 1;
            if (compareAndSet(current, next))
                return current;
        }
    }

     5.2 使用循环CAS,来实现i++的原子性操作

public class AtomicIntegerTest {
    private static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
    private static final int times = 10000;
    AtomicInteger atomicInteger;
 
    public static void main(String[] args) {
 
        long curTime = System.nanoTime();
 
        Thread decThread = new DecThread();
        decThread.start();
 
        System.out.println("Start thread: " + Thread.currentThread() + " i++");
 
        for (int i = 0; i < times; i++) {
            // 进行自加的操作
            count.getAndIncrement();
        }
 
        System.out.println("End thread: " + Thread.currentThread() + " i++");
 
        // 等待decThread结束
        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++) {
                // 进行自减的操作
                count.getAndDecrement();
            }
            System.out
                    .println("End thread: " + Thread.currentThread() + " i--");
        }
    }
}

 

    5.3  程序的运行结果

 

Start thread: Thread[main,5,main] i++
Start thread: Thread[Thread-0,5,main] i--
End thread: Thread[Thread-0,5,main] i--
End thread: Thread[main,5,main] i++
Result: 0
Duration: 0.00s

 

6、使用锁机制,实现i++原子操作

      6.1  使用锁机制,实现i++原子操作

 

package com.baowei.yuanzi;
 
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
 
public class LockTest {
    private static int count = 0;
    private static final int times = 10000;
 
    // 使用Lock实现,多线程的数据同步
    public static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
 
    public static void main(String[] args) {
 
        long curTime = System.nanoTime();
 
        Thread decThread = new DecThread();
        decThread.start();
 
        System.out.println("Start thread: " + Thread.currentThread() + " i++");
 
        for (int i = 0; i < times; i++) {
            // 进行自加的操作
            try {
                lock.lock();
                count++;
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
 
        System.out.println("End thread: " + Thread.currentThread() + " i++");
 
        // 等待decThread结束
        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++) {
                // 进行自减的操作
                try {
                    lock.lock();
                    count--;
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    lock.unlock();
                }
            }
            System.out
                    .println("End thread: " + Thread.currentThread() + " i--");
        }
    }
} 

      6.2  程序的运行结果

 

Start thread: Thread[Thread-0,5,main] i--
Start thread: Thread[main,5,main] i++
End thread: Thread[main,5,main] i++
End thread: Thread[Thread-0,5,main] i--
Result: 0
Duration: 0.04s

 

7、使用synchronized,实现i++原子操作

      7.1  使用synchronized,实现i++原子操作

 

package com.baowei.yuanzi;
 
public class SynchronizedTest {
    private static int count = 0;
    private static final int times = 1000000;
 
    public static void main(String[] args) {
 
        long curTime = System.nanoTime();
 
        Thread decThread = new DecThread();
        decThread.start();
 
        System.out.println("Start thread: " + Thread.currentThread() + " i++");
 
        for (int i = 0; i < times; i++) {
            // 进行自加的操作
            synchronized (SynchronizedTest.class) {
                count++;
            }
 
        }
 
        System.out.println("End thread: " + Thread.currentThread() + " i++");
 
        // 等待decThread结束
        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++) {
                // 进行自减的操作
                synchronized (SynchronizedTest.class) {
                    count--;
                }
            }
            System.out
                    .println("End thread: " + Thread.currentThread() + " i--");
        }
    }
}

 

      7.2  程序的运行结果

 

Start thread: Thread[main,5,main] i++
Start thread: Thread[Thread-0,5,main] i--
End thread: Thread[Thread-0,5,main] i--
End thread: Thread[main,5,main] i++
Result: 0
Duration: 0.03s

8、参考的资料

8.1  Java 高并发程序设计(21页)

8.2  http://www.cnblogs.com/zemliu/p/3298685.html

8.3  Java 并发编程的艺术 (  The Art of Java Concurrency Programming   )  (22-23 页)
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