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架构系列——volatile的可见性、防止指令重排序以及不能保证原子性的解决方式

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前言

volatile的使用与线程安全关系密切,主要作用是使变量在多个线程间可见,另外也有防止指令重排的作用。

比如主内存中有变量a=0,线程1设置a=10,线程2再操作a的时候,是以a=10的基础上进行操作,否则会影响逻辑!01volatile的可见性

要了解volatile的可见性,首先得了解java内存模型:

java内存模型

Java内存模型由Java虚拟机规范定义,用来屏蔽各个平台的硬件差异。简单来说:

1. 所有变量储存在主内存。

2. 每条线程拥有自己的工作内存,其中保存了主内存中线程使用到的变量的副本。

3. 线程不能直接读写主内存中的变量,所有操作均在工作内存中完成。

线程,主内存,工作内存的交互关系如下图所示

如下列代码所示,rt启动之后修改isRunning的值为false,此时while循环不会停止,因为run方法里得不到改变之后的isRunning。

解决:使用volatile修饰isRunning,这样当isRunning的值改变之后,会立即刷新到主内存里,工作内存也能立即获取到新的值

public class RunThread extends Thread {
  private boolean isRunning = true;
  private void setRunning(boolean isRunning){
    this.isRunning = isRunning;
  }
  
  public void run () {
    System.out.println("进入run方法");
    while(isRunning == true){
      //...
    }
    System.out.println("线程停止");
  }
  public static void main(String[] args) {
    RunThread rt = new RunThread();
    rt.start();
    try {
      Thread.sleep(3000);
      rt.setRunning(false);
      System.out.println("isRunning的值已经被设置成false");
      Thread.sleep(1000);
      System.out.println(rt.isRunning);
    } catch (InterruptedException e) {
      // TODO Auto-generated catch block
      e.printStackTrace();
    }
  }
}

02volatile能防止指令重排

如下列代码所示,这是单例模式的双检锁写法

public class RunThread extends Thread {
  private boolean isRunning = true;
  private void setRunning(boolean isRunning){
    this.isRunning = isRunning;
  }
  
  public void run () {
    System.out.println("进入run方法");
    while(isRunning == true){
      //...
    }
    System.out.println("线程停止");
  }
  public static void main(String[] args) {
    RunThread rt = new RunThread();
    rt.start();
    try {
      Thread.sleep(3000);
      rt.setRunning(false);
      System.out.println("isRunning的值已经被设置成false");
      Thread.sleep(1000);
      System.out.println(rt.isRunning);
    } catch (InterruptedException e) {
      // TODO Auto-generated catch block
      e.printStackTrace();
    }
  }
}

我们看到instance用了volatile修饰,由于 instance = new SingletonTest();可分解为:

1.memory =allocate(); //分配对象的内存空间
2.ctorInstance(memory); //初始化对象
3.instance =memory; //设置instance指向刚分配的内存地址


操作2依赖1,但是操作3不依赖2,所以有可能出现1,3,2的顺序,当出现这种顺序的时候,虽然instance不为空,但是对象也有可能没有正确初始化,会出错。 

而使用volatile修饰instance之后,不会出现乱序的行为!03volatile不保证原子性以及解决方式

1.什么是原子性?

 下列语句中,哪些是原子性操作?

x = 10;         //语句1
y = x;          //语句2
x++;            //语句3
x = x + 1;      //语句4

语句1 是直接将数值 10 赋值给 x,也就是说线程执行这个语句的会直接将数值 10 写入到工作内存中;

语句2 实际上包含两个操作,它先要去读取 x 的值,再将 x 的值写入工作内存。虽然,读取 x 的值以及 将 x 的值写入工作内存这两个操作都是原子性操作,但是合起来就不是原子性操作了;

同样的,x++ 和 x = x+1 包括3个操作:读取 x 的值,进行加 1 操作,写入新的值。

只有 语句1 的操作具备原子性。也就是说,只有简单的读取、赋值(而且必须是将数字赋值给某个变量,变量之间的相互赋值不是原子操作)才是原子操作!

2.举例

如下列代码所示,使用volatile修饰的变量count,利用10个线程分别对count进行++操作,而根据上面的表述,++操作不是原子操作!每个线程加1000个数,打印的结果中一定有一个是10000才是对的,但是实际上并不是这样!因为volatile不保证原子性!

public class VolatileNoAtomic extends Thread{
  private static volatile int count;
//  private static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
  private static void addCount(){
    for (int i = 0; i < 1000; i++) {
      count ++;
//      count.incrementAndGet();
    }
    System.out.println(count);
  }
  public void run(){
    addCount();
  }
  
  public static void main(String[] args) {
    VolatileNoAtomic[] arr = new VolatileNoAtomic[10];
    for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
      arr[i] = new VolatileNoAtomic();
    }
    
    for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
      arr[i].start();
    }
  }
}

解决:

方法1:使用原子类Atomic类的系列对象,这样既不会阻塞,又能保证原子性!

方法2:使用synchronized修饰addCount方法,这样做的话,线程同步之后会有阻塞,运行时间加长,而且volatile将会失效,不建议这么改

方法3:使用Lock加锁,当然,跟方法2一样的有阻塞

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