volatile是什么？volatile能保证线程安全性吗？如何正确使用volatile？

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。

posted @ 2019-11-21 15:13 赖皮梅阅读(13513) 评论(2) 编辑收藏举报

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