volatile 到i++ 原子操作 详解

1、可见性(Visibility)

可见性是指，当一个线程修改了某一个全局共享变量的数值，其他线程是否能够知道这个修改。

显然，在串行程序来说可见性的问题是不存在的。因为你在任何一个地方操作修改了某个变量，那么在后续的程序里面，读取这个变量的数值，一定是修改后的数值。

但是，这个问题在并行程序里面就不见得了。在并行程序里面，如果一个线程修改了某一个全局变量，那么其他线程未必可以马上知道这个变动。下面的图1展示了可见性问题的一种。如果在CPU1和CPU2上各运行一个线程，他们共享变量t，由于编译器优化或者应该优化的缘故，在CPU1上的线程将变量t进行了优化，将其缓存在Cache中或者寄存器里面。这种情况下，如果在CPU2上的那个线程修改了线程t 的实际数值，那么CPU1上的线程可能并无法意识到这个改动，依然会读取cache中或者寄存器里面的数据。因此，就产生了可见性问题。外在表现就是，变量t 的数值被CPU2上的线程修改，但是CPU1上的线程依然会读到一个旧的数据。

2、原子性(Atomicity)

原子性，指的是一个操作是不可中断的。即使是在多个线程一起执行的时候，一个操作一旦开始，就不会被其他线程打断。

3、Java内存模型的抽象结构( JMM )

在Java中，所有实例域、静态域和数组元素都存储在堆内存中，堆内存在线程之间共享（本章用“共享变量”这个术语代指实例域，静态域和数组元素）。局部变量（Local Variables），方法定义参数（Java语言规范称之为Formal Method Parameters）和异常处理器参数（ExceptionHandler Parameters）不会在线程之间共享，它们不会有内存可见性问题，也不受内存模型的影响。

Java线程之间的通信由Java内存模型（本文简称为JMM）控制，JMM决定一个线程对共享变量的写入何时对另一个线程可见。从抽象的角度来看，JMM定义了线程和主内存之间的抽象关系：线程之间的共享变量存储在主内存（Main Memory）中，每个线程都有一个私有的本地内存（Local Memory），本地内存中存储了该线程以读/写共享变量的副本。本地内存是JMM的一个抽象概念，并不真实存在。它涵盖了缓存、写缓冲区、寄存器以及其他的硬件和编译器优化。Java内存模型的抽象示意如图所示。

图3-1 Java内存模型的抽象结构示意图

从图3-1来看，如果线程A与线程B之间要通信的话，必须要经历下面2个步骤。

1）线程A把本地内存A中更新过的共享变量刷新到主内存中去。

2）线程B到主内存中去读取线程A之前已更新过的共享变量。

下面通过示意图（见图3-2）来说明这两个步骤。

图3-2　线程之间的通信图

如图3-2所示，本地内存A和本地内存B由主内存中共享变量x的副本。假设初始时，这3个内存中的x值都为0。线程A在执行时，把更新后的x值（假设值为1）临时存放在自己的本地内存A中。当线程A和线程B需要通信时，线程A首先会把自己本地内存中修改后的x值刷新到主内存中，此时主内存中的x值变为了1。随后，线程B到主内存中去读取线程A更新后的x值，此时线程B的本地内存的x值也变为了1。

从整体来看，这两个步骤实质上是线程A在向线程B发送消息，而且这个通信过程必须要经过主内存。JMM通过控制主内存与每个线程的本地内存之间的交互，来为Java程序员提供内存可见性保证。

4、volatile

4.1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)

4.2 volatile解决的是多线程间共享变量的可见性问题，而保证不了多线程间共享变量原子性问题。对于多线程的i++,++i,依然还是会存在多线程问题,volatile是无法解决的.如下:使用一个线程i++,另一个i--,最终得到的结果不为0。

4.2.1  多线程下的i++问题

一个线程对count进行times次的加操作，一个线程对count进行times次的减操作。count最后的结果，不为0.

1. public class VolatileTest {
2. private static volatile int count = 0;
3. private static final int times = 10000;
4. public static void main(String[] args) {
5. long curTime = System.nanoTime();
6. Thread decThread = new DecThread();
7. decThread.start();
8. System.out.println("Start thread: " + Thread.currentThread() + " i++");
9. for (int i = 0; i < times; i++) {
10. count++;
11. }
12. System.out.println("End thread: " + Thread.currentThread() + " i--");
13. // 等待decThread结束
14. while (decThread.isAlive())
15. ;
16. long duration = System.nanoTime() - curTime;
17. System.out.println("Result: " + count);
18. System.out.format("Duration: %.2fs\n", duration / 1.0e9);
19. }
20. private static class DecThread extends Thread {
21. @Override
22. public void run() {
23. System.out.println("Start thread: " + Thread.currentThread()
24. + " i--");
25. for (int i = 0; i < times; i++) {
26. count--;
27. }
28. System.out
29. .println("End thread: " + Thread.currentThread() + " i--");
30. }
31. }
32. }

4.2.2  程序的运行结果

1. Start thread: Thread[Thread-0,5,main] i--
2. Start thread: Thread[main,5,main] i++
3. End thread: Thread[main,5,main] i++
4. End thread: Thread[Thread-0,5,main] i--
5. Result: -6240
6. Duration: 0.00s

4.2.3  i++和++i并非原子操作

原因是i++和++i并非原子操作,我们若查看字节码,会发现

1. void f1() { i++; }

的字节码如下

1. void f1();
2. Code:
3. 0: aload_0
4. 1: dup
5. 2: getfield #2; //Field i:I
6. 5: iconst_1
7. 6: iadd
8. 7: putfield #2; //Field i:I
9. 10: return

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

1. Thread1             Thread2
2. r1 = i;             r3 = i;
3. r2 = r1 + 1;        r4 = r3 + 1;
4. i = r2;             i = r4;

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。

5、使用循环CAS，实现i++原子操作

5.1   关于Java并发包的介绍

Java提供了java.util.concurrent.atomic包来提供线程安全的基本类型包装类。这些包装类都是是用CAS来实现，i++的原子性操作。以AtomicInteger为例子，讲一下 public final int getAndIncrement(){} 方法的实现。

1. public final int getAndIncrement() {
2. for (;;) {
3. int current = get();
4. int next = current + 1;
5. if (compareAndSet(current, next))
6. return current;
7. }
8. }

5.2 使用循环CAS，来实现i++的原子性操作

1. public class AtomicIntegerTest {
2. private static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
3. private static final int times = 10000;
4. AtomicInteger atomicInteger;
5. public static void main(String[] args) {
6. long curTime = System.nanoTime();
7. Thread decThread = new DecThread();
8. decThread.start();
9. System.out.println("Start thread: " + Thread.currentThread() + " i++");
10. for (int i = 0; i < times; i++) {
11. // 进行自加的操作
12. count.getAndIncrement();
13. }
14. System.out.println("End thread: " + Thread.currentThread() + " i++");
15. // 等待decThread结束
16. while (decThread.isAlive())
17. ;
18. long duration = System.nanoTime() - curTime;
19. System.out.println("Result: " + count);
20. System.out.format("Duration: %.2fs\n", duration / 1.0e9);
21. }
22. private static class DecThread extends Thread {
23. @Override
24. public void run() {
25. System.out.println("Start thread: " + Thread.currentThread()
26. + " i--");
27. for (int i = 0; i < times; i++) {
28. // 进行自减的操作
29. count.getAndDecrement();
30. }
31. System.out
32. .println("End thread: " + Thread.currentThread() + " i--");
33. }
34. }
35. }

5.3  程序的运行结果

1. Start thread: Thread[main,5,main] i++
2. Start thread: Thread[Thread-0,5,main] i--
3. End thread: Thread[Thread-0,5,main] i--
4. End thread: Thread[main,5,main] i++
5. Result: 0
6. Duration: 0.00s

6、使用锁机制，实现i++原子操作

6.1  使用锁机制，实现i++原子操作

1. package com.baowei.yuanzi;
2. import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
3. import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
4. public class LockTest {
5. private static int count = 0;
6. private static final int times = 10000;
7. // 使用Lock实现，多线程的数据同步
8. public static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
9. public static void main(String[] args) {
10. long curTime = System.nanoTime();
11. Thread decThread = new DecThread();
12. decThread.start();
13. System.out.println("Start thread: " + Thread.currentThread() + " i++");
14. for (int i = 0; i < times; i++) {
15. // 进行自加的操作
16. try {
17. lock.lock();
18. count++;
19. } catch (Exception e) {
20. e.printStackTrace();
21. } finally {
22. lock.unlock();
23. }
24. }
25. System.out.println("End thread: " + Thread.currentThread() + " i++");
26. // 等待decThread结束
27. while (decThread.isAlive())
28. ;
29. long duration = System.nanoTime() - curTime;
30. System.out.println("Result: " + count);
31. System.out.format("Duration: %.2fs\n", duration / 1.0e9);
32. }
33. private static class DecThread extends Thread {
34. @Override
35. public void run() {
36. System.out.println("Start thread: " + Thread.currentThread()
37. + " i--");
38. for (int i = 0; i < times; i++) {
39. // 进行自减的操作
40. try {
41. lock.lock();
42. count--;
43. } catch (Exception e) {
44. e.printStackTrace();
45. } finally {
46. lock.unlock();
47. }
48. }
49. System.out
50. .println("End thread: " + Thread.currentThread() + " i--");
51. }
52. }
53. }

6.2  程序的运行结果

1. Start thread: Thread[Thread-0,5,main] i--
2. Start thread: Thread[main,5,main] i++
3. End thread: Thread[main,5,main] i++
4. End thread: Thread[Thread-0,5,main] i--
5. Result: 0
6. Duration: 0.04s

7、使用synchronized，实现i++原子操作

7.1  使用synchronized，实现i++原子操作

1. package com.baowei.yuanzi;
2. public class SynchronizedTest {
3. private static int count = 0;
4. private static final int times = 1000000;
5. public static void main(String[] args) {
6. long curTime = System.nanoTime();
7. Thread decThread = new DecThread();
8. decThread.start();
9. System.out.println("Start thread: " + Thread.currentThread() + " i++");
10. for (int i = 0; i < times; i++) {
11. // 进行自加的操作
12. synchronized (SynchronizedTest.class) {
13. count++;
14. }
15. }
16. System.out.println("End thread: " + Thread.currentThread() + " i++");
17. // 等待decThread结束
18. while (decThread.isAlive())
19. ;
20. long duration = System.nanoTime() - curTime;
21. System.out.println("Result: " + count);
22. System.out.format("Duration: %.2fs\n", duration / 1.0e9);
23. }
24. private static class DecThread extends Thread {
25. @Override
26. public void run() {
27. System.out.println("Start thread: " + Thread.currentThread()
28. + " i--");
29. for (int i = 0; i < times; i++) {
30. // 进行自减的操作
31. synchronized (SynchronizedTest.class) {
32. count--;
33. }
34. }
35. System.out
36. .println("End thread: " + Thread.currentThread() + " i--");
37. }
38. }
39. }

7.2  程序的运行结果

1. Start thread: Thread[main,5,main] i++
2. Start thread: Thread[Thread-0,5,main] i--
3. End thread: Thread[Thread-0,5,main] i--
4. End thread: Thread[main,5,main] i++
5. Result: 0
6. Duration: 0.03s