java--volatile关键字

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volatile不能保证数据同步

volatile关键字比较少用，原因无外乎两点，一是在Java1.5之前该关键字在不同的操作系统上有不同的表现，所带来的问题就是移植性较差；而且比较难设计，而且误用较多，这也导致它的"名誉" 受损。

　　我们知道，每个线程都运行在栈内存中，每个线程都有自己的工作内存(Working Memory,比如寄存器Register、高速缓冲存储器Cache等)，线程的计算一般是通过工作内存进行交互的，其示意图如下图所示：

　　

　　从示意图上我们可以看到，线程在初始化时从主内存中加载所需的变量值到工作内存中，然后在线程运行时，如果是读取，则直接从工作内存中读取，若是写入则先写到工作内存中，之后刷新到主内存中，这是JVM的一个简答的内存模型，但是这样的结构在多线程的情况下有可能会出现问题，比如：A线程修改变量的值，也刷新到了主内存，但B、C线程在此时间内读取的还是本线程的工作内存，也就是说它们读取的不是最"新鲜"的值，此时就出现了不同线程持有的公共资源不同步的情况。

　　对于此类问题有很多解决办法，比如使用synchronized同步代码块，或者使用Lock锁来解决该问题，不过，Java可以使用volatile更简单地解决此类问题，比如在一个变量前加上volatile关键字，可以确保每个线程对本地变量的访问和修改都是直接与内存交互的，而不是与本线程的工作内存交互的，保证每个线程都能获得最"新鲜"的变量值，其示意图如下：

　　

　　明白了volatile变量的原理，那我们思考一下：volatile变量是否能够保证数据的同步性呢？两个线程同时修改一个volatile是否会产生脏数据呢？我们看看下面代码：

class UnsafeThread implements Runnable {
    // 共享资源
    private volatile int count = 0;

    @Override
    public void run() {
        // 增加CPU的繁忙程度,不必关心其逻辑含义
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            Math.hypot(Math.pow(92456789, i), Math.cos(i));
        }
        count++;
    }

    public int getCount() {
        return count;
    }
}

上面的代码定义了一个多线程类，run方法的主要逻辑是共享资源count的自加运算，而且我们还为count变量加上了volatile关键字，确保是从内存中读取和写入的，如果有多个线程运行，也就是多个线程执行count变量的自加操作，count变量会产生脏数据吗？想想看，我们已经为count加上了volatile关键字呀！模拟多线程的代码如下：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 理想值，并作为最大循环次数
        int value = 1000;
        // 循环次数,防止造成无限循环或者死循环
        int loops = 0;
        // 主线程组,用于估计活动线程数
        ThreadGroup tg = Thread.currentThread().getThreadGroup();
        while (loops++ < value) {
            // 共享资源清零
            UnsafeThread ut = new UnsafeThread();
            for (int i = 0; i < value; i++) {
                new Thread(ut).start();
            }
            // 先等15毫秒，等待活动线程为1
            do {
                Thread.sleep(15);
            } while (tg.activeCount() != 1);
            // 检查实际值与理论值是否一致
            if (ut.getCount() != value) {
                // 出现线程不安全的情况
                System.out.println("循环到：" + loops + " 遍，出现线程不安全的情况");
                System.out.println("此时，count= " + ut.getCount());
                System.exit(0);
            }
        }

    }

想让volatite变量"出点丑"，还是需要花点功夫的。此段程序的运行逻辑如下：

• 启动100个线程，修改共享资源count的值
• 暂停15秒，观察活动线程数是否为1(即只剩下主线程再运行)，若不为1，则再等待15秒。
• 判断共享资源是否是不安全的，即实际值与理想值是否相同，若不相同，则发现目标，此时count的值为脏数据。
• 如果没有找到，继续循环，直到达到最大循环为止。

运行结果如下：

　　　　循环到：40 遍，出现线程不安全的情况
　　　　此时，count= 999
　　这只是一种可能的结果，每次执行都有可能产生不同的结果。这也说明我们的count变量没有实现数据同步，在多个线程修改的情况下，count的实际值与理论值产生了偏差，直接说明了volatile关键字并不能保证线程的安全。
　　在解释原因之前，我们先说一下自加操作。count++表示的是先取出count的值然后再加1，也就是count=count+1，所以，在某个紧邻时间片段内会发生如下神奇的事情：

(1)、第一个时间片段

　　A线程获得执行机会，因为有关键字volatile修饰，所以它从主内存中获得count的最新值为998，接下来的事情又分为两种类型：

• 如果是单CPU，此时调度器暂停A线程执行，让出执行机会给B线程，于是B线程也获得了count的最新值998.
• 如果是多CPU，此时线程A继续执行，而线程B也同时获得了count的最新值998.

(2)、第二个片段

• 如果是单CPU，B线程执行完+1操作(这是一个原子处理)，count的值为999，由于是volatile类型的变量，所以直接写入主内存，然后A线程继续执行，计算的结果也是999，重新写入主内存中。
• 如果是多CPU，A线程执行完加1动作后修改主内存的变量count为999，线程B执行完毕后也修改主内存中的变量为999

这两个时间片段执行完毕后，原本期望的结果为1000，单运行后的值为999，这表示出现了线程不安全的情况。这也是我们要说明的：volatile关键字并不能保证线程安全，它只能保证当前线程需要该变量的值时能够获得最新的值，而不能保证线程修改的安全性。

顺便说一下，在上面的代码中，UnsafeThread类的消耗CPU计算是必须的，其目的是加重线程的负荷，以便出现单个线程抢占整个CPU资源的情景，否则很难模拟出volatile线程不安全的情况，大家可以自行模拟测试。