java并发编程关键字volatile保证可见性不保证原子性详解

2024-04-02 19:04:59 592人浏览薄情痞子

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摘要

目录关于可见性关于指令重排volatile关键字可以说是Java虚拟机提供的最轻量级的同步机制，但对于为什么它只能保证可见性，不保证原子性，它又是如何禁用指令重排的，还有很多同学没彻

关于可见性

不多bb，码来

public class VolatileTest {
    private static volatile int count = 0;
    private static void increase() {
        count++;
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 10000; j++) {
                    increase();
                }
            }).start();
        }
		// 所有线程累加完成后输出
        while (Thread.activeCount() > 2) Thread.yield();
        System.out.println(count);
    }
}

代码很好理解，开了十个线程对同一个共享变量count做累加，每个线程累加1w次

count我们已经用volatile修饰，已经保证了count对十个线程在内存中的可见性，按理说十个线程执行完毕count的值应该10w

然鹅，运行多次，结果都远小于期望值

在这里插入图片描述

是哪个环节出了问题？

在这里插入图片描述

你肯定听过一句话：volatile只保证可见性，不保证原子性

这句话就是答案，但是依旧很多人没搞懂其中的奥秘

说来话长我长话短说，简单来讲就是 count++这个操作不是原子的，它是分三步进行

从内存读取 count 的值
执行 count + 1
将 count 的新值写回

要彻底搞懂这个问题，我们得从字节码入手

下面是increase方法编译后的字节码

在这里插入图片描述

看不懂没关系，我们一行一行来看：

GETSTATIC：读取 count 的当前值
ICONST_1：将常量 1 加载到栈顶
IADD：执行+1
PUTSTATIC：写入count最新值

ICONST_1和IADD其实就是真正的++操作

关键点来了，volatile只能保证线程在GETSTATIC这一步拿到的值是最新的，但当该线程执行到下面几行指令时，这期间可能就有其它线程把count的值修改了，最终导致旧值把真正的新值覆盖

懂我意思吗

所以，并发编程中，只靠volatile修饰共享变量是不可靠的，最终还是要通过对关键方法加锁来保证线程安全

就如上面的demo，稍加修改就能实现真正的线程安全

最简单的，给increase方法加个synchronized （synchronized怎么实现线程安全的我就不啰嗦了，我以前讲过 synchronized底层实现原理）

    private synchronized static void increase() {
        ++count;
    }

run几下

在这里插入图片描述

这不就妥了嘛

到现在，对于以下两点你应该有了新的认知

volatile保证变量在内存中对线程的可见性

volatile只保证可见性，不保证原子性

关于指令重排

并发编程中，cpu自身和虚拟机为了提高执行效率，都会采用指令重排（在保证不影响结果的前提下，将某些代码乱序执行）

关于cpu：为了从分利用cpu，实际执行指令时会做优化；
关于虚拟机：在HotSpot vm中，为了提升执行效率，JIT(即时编译)模式也会做指令优化

指令重排在大部分场景下确实能提升执行效率，但有些场景对代码执行顺序是强依赖的，此时我们需要禁用指令重排，如下面这个场景

在这里插入图片描述

伪代码取自《深入理解Java虚拟机》：

其描述的场景是开发中常见配置读取过程，只是我们在处理配置文件时一般不会出现并发，所以没有察觉这会有问题。
试想一下，如果定义initialized变量时没有使用volatile修饰，就可能会由于指令重排序的优化，导致位于线程A中最后一条代码“initialized=true”被提前执行（这里虽然使用Java作为伪代码，但所指的重排序优化是机器级的优化操作，提前执行是指这条语句对应的汇编代码被提前执行），这样在线程B中使用配置信息的代码就可能出现错误，而volatile通过禁止指令重排则可以避免此类情况发生

禁用指令重排只需要将变量声明为volatile，是不是很神奇

我们来看看volatile是如何实现禁用指令重排的

也借用《深入理解Java虚拟机》的一个例子吧，比较好理解

在这里插入图片描述