多线程 | Volatile到底有什么用?

Volatile的作用: 保持内存可见性.
内存可见性:多个线程操作同一个变量,可确保写线程更新变量,其他读线程可以读取该变量的最新值。

1. Volatile应用场景

观察以下代码:

public class T01Volatile {
    private static boolean bool = true;
    private void add(){
        while (bool){
            System.out.println(1);
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        T01Volatile demo = new T01Volatile();
        new Thread(()->{demo.add();},"A").start();
        bool = false;
    }
}

这段代码很平常,控制台并不会有任何输出 ,因为A线程还没来得及执行,bool就被设置为false,add方法很快就执行完毕。
一旦如上代码运行在-server服务器模式64bit的jvm上,就会出现死循环。
这是因为: 在JVM被设置为-server模式时,为了提高线程运行效率,线程A每次while循环都会从私有栈(虚拟机栈)中取值,而不是去方法区取static boolean bool的值。

  • 我们来复习下jvm的知识:


    1-1 JVM模型

    如上图,静态变量private static boolean bool被装载到了方法区,是为共享数据,被所有线程共享。而线程A执行add方法是在线程私有栈虚拟机栈中进行的,bool的数据会被cpu复制到缓存区,在-server模式下,A线程并不会每次去方法区取bool值与栈数据保持同步,而是每次仅从栈中取值,这使得尽管方法区bool的值已设置为false,A线程私有栈并不会更新这个值。 此时就需要在静态变量bool前加volatile修饰。

Volatile会强制每次都从公共堆栈(本案例是方法区)取值,而不是从线程私有栈中取值。

2. Volatile并不支持原子操作

Volatile本身并不处理数据的原子性,而是强制对数据的读写影响到主内存。

    private volatile static int count = 0;
    private void countPlus() {
        String s = Thread.currentThread().getName() + ":  count1 == " + count;
        ThreadUtilKt.sleep(200);
        count++;
        s+="  count2 = "+count;
        System.out.println(s);
    }
    public static void main(String[] args) {
        T01Volatile demo = new T01Volatile();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(() -> {demo.countPlus();}, "A_" + i).start();
        }
    }
//以下为控制台输出结果
A_4:  count1 == 0  count2 = 3
A_0:  count1 == 0  count2 = 5
A_8:  count1 == 0  count2 = 6
A_9:  count1 == 0  count2 = 3
A_6:  count1 == 0  count2 = 3
A_3:  count1 == 0  count2 = 3
A_7:  count1 == 0  count2 = 4
A_5:  count1 == 0  count2 = 7
A_1:  count1 == 0  count2 = 8
A_2:  count1 == 0  count2 = 9

观察如上代码,我们会发现几个问题:

  1. count 1 为什么 全部为0?
    这并不意外,十个线程同时抢到方法区count=0数据
  2. count2=1和2去哪了
    将count改写为1和2的这两个线程,在执行count++后,恰好其他线程也执行了累加并提交到方法,改写为1和2的线程在接下来的代码中,读取到了最新值3,而非理想的1和2
  3. count的终值为什么不是10?
    在同一时刻,某两个线程同时读出count=2,并将count=3赋值到方法区(同一毫秒)

3. i++ 非线程安全

  • 既然volatile每次读写都是直接从共享内存取值 ,为什么还是无法做到数据安全?


    2-2线程在内存的工作过程

    如上图2-2 原来即使count被volatile修饰,线程仍然不会直接去方法区操作count,而是先将count从方法区copy一个副本到栈内存,然后对副本做++的计算操作,执行完毕再将值改写方法区变量count.
    其详细过程如下:

  1. read 从方法区读取静态变量count=0
  2. load copy静态变量count副本到私有栈
  3. use 执行count++计算操作,此时操作的count是栈中副本
  4. asign 将1赋值给count
  5. store
  6. write 将1写入到方法区count变量中
    综上,对于Volatile修饰的变量,JVM只能保证从主内存加载到线程私有内存的值是最新的。如上234步骤的操作却是非原子性的,在此期间,其他线程仍然可以修改count值,使得线程脏读。

这也就是说:volatile关键字仅解决变量读取时的可见性,并无法保证原子性。

本文核心理论依据《java多线程编辑艺术》

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