Java多线程 volatile关键字详解

2019-11-26 08:37:05

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供稿：网友

volatile

volatile是一种轻量同步机制。请看例子

MyThread25类

public class MyThread25 extends Thread{  private boolean isRunning = true;  public boolean isRunning()  {    return isRunning;  }  public void setRunning(boolean isRunning)  {    this.isRunning = isRunning;  }  public void run()  {    System.out.println("进入run了");    while (isRunning == true){}    System.out.println("线程被停止了");  }  public static void main(String[] args) throws InterruptedException {    MyThread25 mt = new MyThread25();    mt.start();    Thread.sleep(1000);    mt.setRunning(false);    System.out.println("已设置为false");  }}

输出结果如下

进入run了已设置为false

为什么程序始终不结束？说明mt.setRunning(false);没有起作用。

这里我们说下Java内存模型（JMM）

java虚拟机有自己的内存模型（Java Memory Model，JMM），JMM可以屏蔽掉各种硬件和操作系统的内存访问差异，以实现让java程序在各种平台下都能达到一致的内存访问效果。

JMM定义了线程和主内存之间的抽象关系：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），本地内存保存了被该线程使用到的主内存的副本，线程对变量的所有操作都必须在本地内存中进行，而不能直接读写主内存中的变量。这三者之间的交互关系如下

出现上述运行结果的原因是，主内存isRunning = true， mt.setRunning(false)设置主内存isRunning = false，本地内存中isRunning仍然是true，线程用的是本地内存，所以进入了死循环。

在isRunning前加上volatile

private volatile boolean isRunning = true;

输出结果如下

进入run了已设置为false线程被停止了

volatile不能保证原子类线程安全

先看例子

MyThread26_0类，用volatile修饰num

public class MyThread26_0 extends Thread {  public static volatile int num = 0;  //使用CountDownLatch来等待计算线程执行完  static CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(30);  @Override  public void run() {    for(int j=0;j<1000;j++){      num++;//自加操作    }    countDownLatch.countDown();  }  public static void main(String[] args) throws InterruptedException {    MyThread26_0[] mt = new MyThread26_0[30];    //开启30个线程进行累加操作    for(int i=0;i<mt.length;i++){      mt[i] = new MyThread26_0();    }    for(int i=0;i<mt.length;i++){      mt[i].start();    }    //等待计算线程执行完    countDownLatch.await();    System.out.println(num);  }}

输出结果如下

理论上，应该输出30000。原子操作表示一段操作是不可分割的，因为num++不是原子操作，这样会出现线程对过期的num进行自增，此时其他线程已经对num进行了自增。

num++分三步：读取、加一、赋值。

结论：

volatile只会对单个的的变量读写具有原子性，像num++这种复合操作volatile是无法保证其原子性的

解决方法：

用原子类AtomicInteger的incrementAndGet方法自增

public class MyThread26_1 extends Thread {  //使用原子操作类  public static AtomicInteger num = new AtomicInteger(0);  //使用CountDownLatch来等待计算线程执行完  static CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(30);  @Override  public void run() {    for(int j=0;j<1000;j++){      num.incrementAndGet();//原子性的num++,通过循环CAS方式    }    countDownLatch.countDown();  }  public static void main(String []args) throws InterruptedException {    MyThread26_1[] mt = new MyThread26_1[30];    //开启30个线程进行累加操作    for(int i=0;i<mt.length;i++){      mt[i] = new MyThread26_1();    }    for(int i=0;i<mt.length;i++){      mt[i].start();    }    //等待计算线程执行完    countDownLatch.await();    System.out.println(num);  }}

输出结果如下

原子类方法组合使用线程不安全

例子如下

ThreadDomain27类

public class ThreadDomain27 {  public static AtomicInteger aiRef = new AtomicInteger();  public void addNum()  {    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "加了100之后的结果：" + aiRef.addAndGet(100));    aiRef.getAndAdd(1);  }}

MyThread27类

public class MyThread27 extends Thread{  private ThreadDomain27 td;  public MyThread27(ThreadDomain27 td)  {    this.td = td;  }  public void run()  {    td.addNum();  }  public static void main(String[] args)  {    try    {      ThreadDomain27 td = new ThreadDomain27();      MyThread27[] mt = new MyThread27[5];      for (int i = 0; i < mt.length; i++)      {        mt[i] = new MyThread27(td);      }      for (int i = 0; i < mt.length; i++)      {        mt[i].start();      }      Thread.sleep(1000);      System.out.println(ThreadDomain27.aiRef.get());    }    catch (InterruptedException e)    {      e.printStackTrace();    }  }}

输出结果如下

Thread-2加了100之后的结果：100Thread-3加了100之后的结果：200Thread-0加了100之后的结果：302Thread-1加了100之后的结果：403Thread-4加了100之后的结果：504505

理想的输出结果是100，201，302...，因为addAndGet方法和getAndAdd方法构成的addNum不是原子操作。
解决该问题只需要在addNum加上synchronized关键字。

输出结果如下

Thread-1加了100之后的结果：100Thread-0加了100之后的结果：201Thread-2加了100之后的结果：302Thread-3加了100之后的结果：403Thread-4加了100之后的结果：504505

结论：

volatile解决的是变量在多个线程之间的可见性，但是无法保证原子性。
synchronized不仅保障了原子性外，也保障了可见性。

volatile和synchronized比较

先看实例，使用volatile是什么效果

CountDownLatch保证10个线程都能执行完成，当然你也可以在System.out.println(test.inc);之前使用Thread.sleep(xxx)

public class MyThread28 {  //使用CountDownLatch来等待计算线程执行完  static CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(10);  public volatile int inc = 0;  public void increase() {    inc++;  }  public static synchronized void main(String[] args) throws InterruptedException {    final MyThread28 test = new MyThread28();    for(int i=0;i<10;i++){      new Thread(){        public void run() {          for(int j=0;j<1000;j++)            test.increase();          countDownLatch.countDown();        }      }.start();    }    countDownLatch.await();    System.out.println(test.inc);  }}

运行结果如下

每次运行结果都不一致。刚才我已经解释过，这里我再解释一遍。

使用volatile修饰int型变量i，多个线程同时进行i++操作。比如有两个线程A和B对volatile修饰的i进行i++操作，i的初始值是0，A线程执行i++时从本地内存刚读取了i的值0（i++不是原子操作），就切换到B线程了，B线程从本地内存中读取i的值也为0，然后就切换到A线程继续执行i++操作，完成后i就为1了，接着切换到B线程，因为之前已经读取过了，所以继续执行i++操作，最后的结果i就为1了。同理可以解释为什么每次运行结果都是小于10000的数字。

解决方法：

使用synchronized关键字

public class MyThread28 {  //使用CountDownLatch来等待计算线程执行完  static CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(10);  public int inc = 0;  public synchronized void increase() {    inc++;  }  public static synchronized void main(String[] args) throws InterruptedException {    final MyThread28 test = new MyThread28();    for(int i=0;i<10;i++){      new Thread(){        public void run() {          for(int j=0;j<1000;j++)            test.increase();          countDownLatch.countDown();        }      }.start();    }    countDownLatch.await();    System.out.println(test.inc);  }}

输出结果如下

synchronized不管是否是原子操作，它能保证同一时刻只有一个线程获取锁执行同步代码，会阻塞其他线程。

结论：