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Java并发编程:Volatile不能保证数据同步


 

         Java内存模型规定了所有变量都存储在主内存中,每条线程都有自己的工作内存,线程的工作内存保存了被该线程使用到变量的主内存副本拷贝,线程 对变量的所有操作(读取,赋值等)都必须在工作内存中进行,而不能直接读写主内存中的变量。不同线程也不能直接访问对方工作内存中的变量,线程间变量值的 传递均需要通过主内存来完成,线程,主内存,工作内存三者的交互关系如图所示。
 
     当一个变量定义成volatile之后, 保证了此变量对所有线程的可见性,也就是说当一条线程修改了这个变量的值,新的值对于其它线程来说是可以立即得知的.此时,该变量的读写操作直接在主内存中完成.
 
  Volatile 变量具有 synchronized 的可见性特性,但是不具备原子特性。
 
  Volatile variables share the visibility features of synchronized, but none of the atomicity features.
 
  虽然增量操作(x++)看上去类似一个单独操作,实际上它是一个由读取-修改-写入操作序列组成的组合操作,必须以原子方式执行,而 volatile 不能提供必须的原子特性。
 
  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.
 
  在多线程并发的环境下, 各个线程的读/写操作可能有重叠现象, 在这个时候, volatile并不能保证数据同步.
 
  下面将给出一个实例:
 
  实例 ==> 500个线程一起运行,每个线程对1到100求和1000次操作,然后将一个volatile共享变量值加1. 当500个线程都完成操作之后, 期望的值是500,因为每个线程执行完毕之后都会对这个volatile变量加1.
 
 
  一直循环执行这个程序,直到出现volatile变量的值小于500为止,也就是出现数据不同步。
 
  public class NonSafeThread implements Runnable { /** 共享资源, 每个线程执行完之后加 1 */ private volatile int volatileCount = 0; public void run() { /* * 每个线程调用sum100()方法,1000次 */ for (int i = 1; i <= 1000; i++) { sum100(); } /* * 计算完毕之后, volatileCount 加 1 */ increase(); } private void increase() { volatileCount++; } /** * 对 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) { /** 记录循环次数 */ int loopCount = 0; /** 以main函数主线程创建一个是线程组 */ ThreadGroup threadGroup = Thread.currentThread().getThreadGroup(); for (;;) { loopCount++; /* * 启动500个线程,初始化的线程会添加到当前线程组中 */ NonSafeThread nonSafeThread = new NonSafeThread(); startThreads(nonSafeThread); /* * 如果线程组中除了主线程之外,还有其它线程,则休眠5毫秒,然后再判断线程组中 剩余的线程数,直到只剩下主线程一个为止。 */ while (!isOnlyMainThreadLeft(threadGroup)) { sleep(5); } /* * 500个线程运行完毕,那么此时的volatile变量volatileCount的值应该500, 因为每个线程将其值加1。 * * 验证是否出现线程不安全的情况。 */ validate(loopCount, nonSafeThread.getVolatileCount(), 500); } } /** * 启动500个线程 */ private static void startThreads(NonSafeThread nonSafeThread) { for (int i = 0; i < 500; i++) { new Thread(nonSafeThread).start(); } } /** * 验证是否出现线程不安全的情况。 如果是,则打印出线程不安全的信息。 */ 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); } } /** * 在控制台打印出现线程不安全时的信息。 */ private static void printNonSafeMessage(int loopCount, int actualValue, int expectedValue) { System.out.println(String.format( "第%d次循环,出现线程不安全的情况,volatile的值不正确,期望值是%d, 但是500个线程运行的情况下是%d", loopCount, expectedValue, actualValue)); } /** * 判断实际中的volatile值与期望值是否一致。 */ private static boolean isVolatileCountExpected(int actualValue, int expectedValue) { return actualValue == expectedValue; } /** * 让线程休眠millis毫秒 */ private static void sleep(long millis) { try { Thread.sleep(millis); } catch (InterruptedException e) { // TODO Auto-generated catch block e.printStackTrace(); } } /** * 判断一个线程组是否只剩下主线程了。 * * 如果是则返回true,如果不是则放回false. */ private static boolean isOnlyMainThreadLeft(ThreadGroup tg) { return tg.activeCount() == 1; } }
 
  某次运行,输出的结果如下:
 
  第83次循环,出现线程不安全的情况,volatile的值不正确,期望值是500, 但是500个线程运行的情况下是499
 
  在这种情况下,可以通过 Lcak和synchronized来保证数据的同步。
 
  如:
 
  1. 使用Lock,修改NonSafeThread类的run方法的内容:
 
  public void run() { lock.lock(); try { /* * 每个线程调用sum100()方法,1000次 */ for (int i = 1; i <= 1000; i++) { sum100(); } /* * 计算完毕之后, volatileCount 加 1 */ increase(); } finally { lock.unlock(); } }
 
  2. 使用synchronized
 
  public void run() { synchronized ("") { /* * 每个线程调用sum100()方法,1000次 */ for (int i = 1; i <= 1000; i++) { sum100(); } /* * 计算完毕之后, volatileCount 加 1 */ increase(); } }
 
  如果用Lock或者synchronized修改了NonSafeThread类, 如果再想跑这个程序的话,需要控制一下NonSafeThreadTest中for循环中执行的次数,比如1000次 (我运行程序的时候,一般都在100次以内打印出数据不安全的结果),以免导致程序在Lock或者synchronized修改后一直执行下去。