1. volatile是什么?
  在谈及线程安全时,常会说到一个变量——volatile。在《Java并发编程实战》一书中是这么定义volatile的——“Java语言提供了一种稍弱的同步机制,即volatile变量,用来确保将变量的更新操作通知到其他线程”。这句话说明了两点:①volatile变量是一种同步机制;②volatile能够确保可见性。这两点和我们探讨“volatile变量是否能够保证线程安全性”息息相关。

2. volatile变量能确保线程安全性吗?为什么?

  什么是同步机制?在并发程序设计中,各进程对公共变量的访问必须加以制约,这种制约称为同步。也就是说,同步机制即为对共享资源的一种制约。那么问题来了:volatile这种“稍弱的同步机制”是怎么制约各个进程对共享资源的访问的呢?答案就在“volatile能够确保可见性”中。

2.1 可见性

  volatile能够保证字段的可见性:volatile变量,用来确保将变量的更新操作通知到其他线程。volatile变量不会被缓存在寄存器或者对其他处理器不可见的地方,因此在读取volatile类型的变量时总会返回最新写入的值。

  可见性和“线程如何对变量进行操作(取值、赋值等)”有关系:

  我们要先明确一个定律:线程对变量的所有操作(取值、赋值等)都必须在工作内存(各线程独立拥有)中进行,而不能直接读写内存中的变量,各工作内存间也不能相互访问。对于volatile变量来说,由于它特殊的操作顺序性规定,看起来如同操作主内存一般,但实际上 volatile变量也是遵循这一定律的。

  关于主存与工作内存之间具体的交互协议(即一个变量如何从主存拷贝到工作内存、如何从工作内存同步到主存等实现细节),Java内存模型中定义了以下八种操作来完成:

    lock:(锁定),unlock(解锁),read(读取),load(载入),use(试用), assign(赋值),store(存储),write(写入)。

  volatile 对这八种操作有着两个特殊的限定,正因为有这些限定才让volatile修饰的变量有可见性以及可以禁止指令重排序 :

    ① use动作之前必须要有read和load动作, 这三个动作必须是连续出现的。【表示:每次工作内存要使用volatile变量之前必须去主存中拿取最新的volatile变量】

    ② assign动作之后必须跟着store和write动作,这三个动作必须是连续出现的。【表示: 每次工作内存改变了volatile变量的值,就必须把该值写回到主存中】

  有以上两条规则就能保证每个线程每次去拿volatile变量的时候,那个变量肯定是最新的, 其实也就相当于好多个线程用的是同一个内存,无工作内存和主存之分。而操作没有用volatile修饰的变量则不能保证每次都能获取到最新的变量值。

2.2 所以volatile究竟能否保证线程安全性?

  答:在某些特定的情况下能。那到底什么是什么能,什么时候又不能了呢?我们继续往下看。

  (1)volatile能保证线程安全的情况

  要使 volatile 变量提供理想的线程安全性,必须同时满足两个条件:①对变量的写操作不依赖于当前值。②该变量没有包含在具有其他变量的不变式中。

  实际上,这两个条件表明,可以被写入 volatile 变量的这些有效值独立于任何程序的状态,包括变量的当前状态。大多数编程情形都会与这两个条件的其中之一冲突(如:“若没有则添加”、“若相等则移出”的复合操作等复合操作都是与①或②相冲突的),使得 volatile 变量不能像 synchronized 那样普遍适用于实现线程安全。

  (2)volatile不能保证线程安全的情况

  除了(1)中提到的能够使volatile发挥保证线程安全性的情况,其他情况下volatile并不能保证线程安全问题,因为volatile并不能保证变量操作的原子性。

  我们先以 i++( i++ 是非原子操作)为例:

    private volatile int i = 0,两个线程同时执行 i++,

    此时是两个线程同时从主内存中拿到 i 的最新值 0 ,并且同时对 i 进行 +1 操作并将和赋值回 i,最后同时将 +1 后的 i 值写回主内存中,最终 i == 1,很明显结果是错的。

  下面我们再通过更详细的代码来验证“即使变量用了volatile来修饰,才进行非原子操作时依旧会出现线程安全问题”:

class Window implements Runnable {
private volatile int ticket = 100; public void run() {
for (;;) {
//通过下面的①②两个步骤我们可以发现:对一个共享资源可以多个线程同时进行修改,自然就会有线程安全问题。
if (ticket > 0) {
try {
Thread.sleep(100);//①多个线程同时判断到“ticket>0”,然后挂起了
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
//②多个线程同时醒来,同时进行“ticket--”操作:
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + ticket--);
} else {
break;
}
}
}
}
public class A03UseVolatileIsNotThreadSafe {
public static void main(String[] args) {
Window w = new Window(); Thread t1 = new Thread(w);
Thread t2 = new Thread(w);
Thread t3 = new Thread(w); t1.setName("窗口1");
t2.setName("窗口2");
t3.setName("窗口3"); t1.start();
t2.start();
t3.start();
}
}

  测试结果:(1)出现了大量的重复数字; (2)最后还输出了 “-1”;==》说明变量即使用volatile修饰了但依旧出现了线程安全问题。

  代码解析:
    出现问题(1)的原因:线程存在“先检查后执行”的竞态条件。可能有两个线程同时拥有CPU的执行权(机器是双核的),它们判断到做“if (ticket > 0)”,并同时做“ticket--”操作。
    出现问题(2)的原因:
      ①当ticket==1时,两个或多个线程同时通过了“if (ticket > 0)”的判断,并进入了判断框中去执行代码;
      ②然后它们执行到“Thread.sleep(100);”就睡了;
      ③睡醒后总有一个线程会先抢到cup的执行权,然后执行“ticket--”操作,并将最新的ticket数值推送告知到每个线程;
      ④此时那些在判断框中的其他的线程并不会再次做“if (ticket > 0)”的判断,而是直接拿最新的ticket并做“ticket--”操作。
    就算线程在“ticket--”之前每次都做“if (ticket > 0)”的判断,也依旧会有线程安全问题,因为又可能出现①那种同时通过判断的状态。

// volatile的典型用法:检查某个状态标记,以判断是否退出循环。
volatile boolean asleep;
……
while( !asleep){
countSomeSheep();
}

3. volatile的典型用法:检查某个状态标记,以判断是否退出循环。

    volatile boolean asleep;
……
while( !asleep){
countSomeSheep();
}

4. 总结:因为volatile不能保证变量操作的原子性,所以试图通过volatile来保证线程安全性是不靠谱的。

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