从volatile说到i++的线程安全问题

嵌入式操作系统

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描述

  一般说来,volatile用在如下的几个地方:

1、中断服务程序中修改的供其它程序检测的变量需要加volatile;

  2、多任务环境下各任务间共享的标志应该加volatile;

  3、存储器映射的硬件寄存器通常也要加volatile说明,因为每次对它的读写都可能有不同意义;

  另外,以上这几种情况经常还要同时考虑数据的完整性(相互关联的几个标志读了一半被打断了重写),在1中可以通过关中断来实现,2 中可以禁止任务调度,3中则只能依靠硬件的良好设计了。

  volatile关键字保证了

  1. 可见性——在多线程环境下,被修饰的变量在别修改后会马上同步到主存,这样该线程对这个变量的修改就是对所有其他线程可见的,其他线程能够马上读到这个修改后值。

  2. 禁止指令重排序优化

  本文中来谈谈第一点,可见性。

  Thread的本地内存

  每个Thread都拥有自己的线程存储空间

  Thread何时同步本地存储空间的数据到主存是不确定的

  例子

  volatile

  上图表示两个线程并发执行,而且代码顺序上为Thread1-》Thread2

  不用 volatile

  假如ready字段不使用volatile,那么Thread 1对ready做出的修改对于Thread2来说未必是可见的,是否可见是不确定的。假如此时thread1 ready泄露了(leak through)了,那么Thread 2可以看见ready为true,但是有可能answer的改变并没有泄露,则thread2有可能会输出 0 (answer=42对thread2并不可见)

  使用 volatile

  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)

  线程 A 中写入 volatile 变量之前可见的变量, 在线程 B 中读取该 volatile 变量以后, 线程 B 对其他在 A 中的可见变量也可见。 换句话说, 写 volatile 类似于退出同步块, 而读取 volatile 类似于进入同步块

  所以如果使用了volatile,那么Thread2读取到的值为read=》true,answer=》42,当然使用volatile的同时也会增加性能开销

  注意

  volatile并不能保证非源自性操作的多线程安全问题得到解决,volatile解决的是多线程间共享变量的可见性问题,而例如多线程的i++,++i,依然还是会存在多线程问题,它是无法解决了。如下:使用一个线程i++,另一个i–,最终得到的结果不为0

  public class VolatileTest {

  private static volatile int count = 0;

  private static final int times = Integer.MAX_VALUE;

  public static void main(String[] args) {

  long curTime = System.nanoTime();

  Thread decThread = new DecThread();

  decThread.start();

  // 使用run()来运行结果为0,原因是单线程执行不会有线程安全问题

  // new DecThread().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--”);

  // 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--”);

  }

  }

  }12345678910111213141516171819202122232425262728293031323334353637383940414243

  最后输出的结果是

  Start thread: Thread[main,5,main] i++

  Start thread: Thread[Thread-0,5,main] i--

  End thread: Thread[main,5,main] i--

  End thread: Thread[Thread-0,5,main] i--

  Result: -460370604

  Duration: 67.37s123456

  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++; }1

  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: return123456789

  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;1234

  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

  线程同步问题的解决

  Java提供了java.util.concurrent.atomic 包来提供线程安全的基本类型包装类,例子如下

  package com.qunar.atomicinteger;

  import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

  /**

  * @author zhenwei.liu created on 2013 13-9-2 下午10:18

  * @version $Id$

  */

  public class SafeTest {

  private static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);

  private static final int times = Integer.MAX_VALUE;

  public static void main(String[] args) {

  long curTime = System.nanoTime();

  Thread decThread = new DecThread();

  decThread.start();

  // 使用run()来运行结果为0,原因是单线程执行不会有线程安全问题

  // new DecThread().run();

  System.out.println(“Start thread: ” + Thread.currentThread() + “ i++”);

  for (int i = 0; i 《 times; i++) {

  count.incrementAndGet();

  }

  // 等待decThread结束

  while (decThread.isAlive());

  long duration = System.nanoTime() - curTime;

  System.out.println(“Result: ” + count);

  System.out.format(“Duration: %.2f\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.decrementAndGet();

  }

  System.out.println(“End thread: ” + Thread.currentThread() + “ i--”);

  }

  }

  }12345678910111213141516171819202122232425262728293031323334353637383940414243444546474849

  输出

  Start thread: Thread[main,5,main] i++

  Start thread: Thread[Thread-0,5,main] i--

  End thread: Thread[Thread-0,5,main] i--

  Result: 0

  Duration: 105.15

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