Java并發編程：Volatile不能保證數據同步
在本篇博文中,將給出一個實例去驗證volatile修飾的變量并不能保證其數據同步。
Java內存模型規定了所有變量都存儲在主內存中，每條線程都有自己的工作內存，線程的工作內存保存了被該線程使用到變量的主內存副本拷貝，線程 對變量的所有操作(讀取,賦值等)都必須在工作內存中進行，而不能直接讀寫主內存中的變量。不同線程也不能直接訪問對方工作內存中的變量，線程間變量值的 傳遞均需要通過主內存來完成，線程，主內存，工作內存三者的交互關系如圖所示。
當一個變量定義成volatile之后, 保證了此變量對所有線程的可見性,也就是說當一條線程修改了這個變量的值,新的值對于其它線程來說是可以立即得知的.此時,該變量的讀寫操作直接在主內存中完成.
Volatile 變量具有 synchronized 的可見性特性，但是不具備原子特性。
Volatile variables share the visibility features of synchronized, but none of the atomicity features.
雖然增量操作（x++）看上去類似一個單獨操作，實際上它是一個由讀取－修改－寫入操作序列組成的組合操作，必須以原子方式執行，而 volatile 不能提供必須的原子特性。
While the increment operation (x++) may look like a single operation, it is really a compound read-modify-write sequence of operations that must execute atomically -- and volatile does not provide the necessary atomicity.
在多線程并發的環境下, 各個線程的讀/寫操作可能有重疊現象, 在這個時候, volatile并不能保證數據同步.
下面將給出一個實例:
實例 ==> 500個線程一起運行,每個線程對1到100求和1000次操作,然后將一個volatile共享變量值加1. 當500個線程都完成操作之后, 期望的值是500,因為每個線程執行完畢之后都會對這個volatile變量加1.
一直循環執行這個程序,直到出現volatile變量的值小于500為止,也就是出現數據不同步。
- public class NonSafeThread implements Runnable {
- /** 共享資源, 每個線程執行完之后加 1 */
- private volatile int volatileCount = 0;
- public void run() {
- /*
- * 每個線程調用sum100()方法，1000次
- */
- for (int i = 1; i <= 1000; i++) {
- sum100();
- }
- /*
- * 計算完畢之后， volatileCount 加 1
- */
- increase();
- }
- private void increase()
- {
- volatileCount++;
- }
- /**
- * 對 1 到 100 求和
- */
- private int sum100() {
- int result = 0;
- for (int i = 1; i <= 100; i++) {
- result += i;
- }
- return result;
- }
- /**
- * @return the volatileCount
- */
- public int getVolatileCount() {
- return volatileCount;
- }
- }
- /**
- * @author Eric
- *
- * @version 1.0
- */
- public class NonSafeThreadTest {
- public static void main(String[] args) {
- /** 記錄循環次數 */
- int loopCount = 0;
- /** 以main函數主線程創建一個是線程組 */
- ThreadGroup threadGroup = Thread.currentThread().getThreadGroup();
- for (;;) {
- loopCount++;
- /*
- * 啟動500個線程，初始化的線程會添加到當前線程組中
- */
- NonSafeThread nonSafeThread = new NonSafeThread();
- startThreads(nonSafeThread);
- /*
- * 如果線程組中除了主線程之外，還有其它線程，則休眠5毫秒，然后再判斷線程組中 剩余的線程數，直到只剩下主線程一個為止。
- */
- while (!isOnlyMainThreadLeft(threadGroup)) {
- sleep(5);
- }
- /*
- * 500個線程運行完畢，那么此時的volatile變量volatileCount的值應該500， 因為每個線程將其值加1。
- *
- * 驗證是否出現線程不安全的情況。
- */
- validate(loopCount, nonSafeThread.getVolatileCount(), 500);
- }
- }
- /**
- * 啟動500個線程
- */
- private static void startThreads(NonSafeThread nonSafeThread) {
- for (int i = 0; i < 500; i++) {
- new Thread(nonSafeThread).start();
- }
- }
- /**
- * 驗證是否出現線程不安全的情況。 如果是，則打印出線程不安全的信息。
- */
- private static void validate(int loopCount, int actualValue,
- int expectedValue) {
- if (!isVolatileCountExpected(actualValue, expectedValue)) {
- printNonSafeMessage(loopCount, actualValue, expectedValue);
- /*
- * 正常退出程序。
- */
- System.exit(0);
- }
- }
- /**
- * 在控制臺打印出現線程不安全時的信息。
- */
- private static void printNonSafeMessage(int loopCount, int actualValue,
- int expectedValue) {
- System.out.println(String.format(
- "第%d次循環，出現線程不安全的情況，volatile的值不正確,期望值是%d, 但是500個線程運行的情況下是%d",
- loopCount, expectedValue, actualValue));
- }
- /**
- * 判斷實際中的volatile值與期望值是否一致。
- */
- private static boolean isVolatileCountExpected(int actualValue,
- int expectedValue) {
- return actualValue == expectedValue;
- }
- /**
- * 讓線程休眠millis毫秒
- */
- private static void sleep(long millis) {
- try {
- Thread.sleep(millis);
- } catch (InterruptedException e) {
- // TODO Auto-generated catch block
- e.printStackTrace();
- }
- }
- /**
- * 判斷一個線程組是否只剩下主線程了。
- *
- * 如果是則返回true，如果不是則放回false.
- */
- private static boolean isOnlyMainThreadLeft(ThreadGroup tg) {
- return tg.activeCount() == 1;
- }
- }
某次運行,輸出的結果如下：
第83次循環，出現線程不安全的情況，volatile的值不正確,期望值是500, 但是500個線程運行的情況下是499
在這種情況下,可以通過 Lcak和synchronized來保證數據的同步。
如:
1. 使用Lock,修改NonSafeThread類的run方法的內容：
- public void run() {
- lock.lock();
- try {
- /*
- * 每個線程調用sum100()方法，1000次
- */
- for (int i = 1; i <= 1000; i++) {
- sum100();
- }
- /*
- * 計算完畢之后， volatileCount 加 1
- */
- increase();
- } finally {
- lock.unlock();
- }
- }
2. 使用synchronized
- public void run() {
- synchronized ("") {
- /*
- * 每個線程調用sum100()方法，1000次
- */
- for (int i = 1; i <= 1000; i++) {
- sum100();
- }
- /*
- * 計算完畢之后， volatileCount 加 1
- */
- increase();
- }
- }
如果用Lock或者synchronized修改了NonSafeThread類, 如果再想跑這個程序的話,需要控制一下NonSafeThreadTest中for循環中執行的次數,比如1000次 (我運行程序的時候,一般都在100次以內打印出數據不安全的結果),以免導致程序在Lock或者synchronized修改后一直執行下去.
