Java多线程-volatile的原理与技巧

volatile, 用更低的代价替代同步

为什么 使用volatile比同步代价更低?
同步的代价, 主要由其覆盖范围决定, 如果可以降低同步的覆盖范围, 则可以大幅提升程序性能. 

而volatile的覆盖范围仅仅变量级别的. 因此它的同步代价很低.

volatile原理是什么?
volatile的语义, 其实是告诉处理器, 不要将我放入工作内存, 请直接在主存操作我.(工作内存详见java内存模型)

因此, 当多核或多线程在访问该变量时, 都将直接 操作 主存, 这从本质上, 做到了变量共享.

volatile的有什么优势?
1, 更大的程序吞吐量
2, 更少的代码实现多线程
3, 程序的伸缩性较好
4, 比较好理解, 无需太高的学习成本

volatile有什么劣势?
1, 容易出问题
2, 比较难设计

在java线程并发处理中，有一个关键字volatile的使用目前存在很大的混淆，以为使用这个关键字，在进行多线程并发处理的时候就可以万事大吉。

Java语言是支持多线程的，为了解决线程并发的问题，在语言内部引入了 同步块 和 volatile 关键字机制。

synchronized  

同步块大家都比较熟悉，通过 synchronized 关键字来实现，所有加上synchronized 和 块语句，在多线程访问的时候，同一时刻只能有一个线程能够用

synchronized 修饰的方法 或者 代码块。

volatile

用volatile修饰的变量，线程在每次使用变量的时候，都会读取变量修改后的最的值。volatile很容易被误用，用来进行原子性操作。

下面看一个例子，我们实现一个计数器，每次线程启动的时候，会调用计数器inc方法，对计数器进行加一

 执行环境——jdk版本：jdk1.6.0_31 ，内存 ：3G   cpu：x86 2.4G

1 package linkedList2013;
2
3 public class Counter {
4
5      public static int count = 0 ;
6
7      public static void inc() {
8
9          // 这里延迟1毫秒，使得结果明显
10          try {
11              Thread.sleep(1 );
12          } catch (InterruptedException e) { 13         }
14
15          count++ ;
16     }
17
18      public static void main(String[] args) {
19
20          // 同时启动1000个线程，去进行i++计算，看看实际结果
21
22          for ( int i = 0; i < 1000; i++ ) {
23              new Thread( new Runnable() {
24                 @Override
25                  public void run() {
26                     Counter.inc();
27                 }
28             }).start();
29         }
30
31          // 这里每次运行的值都有可能不同,可能为1000
32          System.out.println("运行结果:Counter.count=" + Counter.count);
33     }
34 }

运行结果:Counter.count=995  
 实际运算结果每次可能都不一样，本机的结果为：运行结果:Counter.count=995，可以看出，在多线程的环境下，Counter.count并没有期望结果是1000  
 
很多人以为，这个是多线程并发问题，只需要在变量count之前加上volatile就可以避免这个问题，那我们在修改代码看看，看看结果是不是符合我们的期望

1 package linkedList2013;
2
3 public class Counter {
4
5      public volatile static int count = 0 ;
6
7      public static void inc() {
8
9          // 这里延迟1毫秒，使得结果明显
10          try {
11              Thread.sleep(1 );
12          } catch (InterruptedException e) { 13         }
14
15          count++ ;
16     }
17
18      public static void main(String[] args) {
19
20          // 同时启动1000个线程，去进行i++计算，看看实际结果
21
22          for ( int i = 0; i < 1000; i++ ) {
23              new Thread( new Runnable() {
24                 @Override
25                  public void run() {
26                     Counter.inc();
27                 }
28             }).start();
29         }
30
31          // 这里每次运行的值都有可能不同,可能为1000
32          System.out.println("运行结果:Counter.count=" + Counter.count);
33     }
34 }

运行结果:Counter.count=992

运行结果还是没有我们期望的1000，下面我们分析一下原因

在 java 垃圾回收整理一文中，描述了jvm运行时刻内存的分配。其中有一个内存区域是jvm虚拟机栈，每一个线程运行时都有一个线程栈，

线程栈保存了线程运行时候变量值信息。当线程访问某一个对象时候值的时候，首先通过对象的引用找到对应在堆内存的变量的值，然后把堆内存

变量的具体值load到线程本地内存中，建立一个变量副本，之后线程就不再和对象在堆内存变量值有任何关系，而是直接修改副本变量的值，

在修改完之后的某一个时刻（线程退出之前），自动把线程变量副本的值回写到对象在堆中变量。这样在堆中的对象的值就产生变化了。 

read and load 从主存复制变量到当前工作内存
use and assign  执行代码，改变共享变量值  
store and write 用工作内存数据刷新主存相关内容

其中use and assign 可以多次出现

但是这一些操作并不是原子性，也就是 在read load之后，如果主内存count变量发生修改之后，线程工作内存中的值由于已经加载，不会产生对应的变化，所以计算出来的结果会和预期不一样

对于volatile修饰的变量，jvm虚拟机只是保证从主内存加载到线程工作内存的值是最新的

例如假如线程1，线程2 在进行read,load 操作中，发现主内存中count的值都是5，那么都会加载这个最新的值

在线程1堆count进行修改之后，会write到主内存中，主内存中的count变量就会变为6

线程2由于已经进行read,load操作，在进行运算之后，也会更新主内存count的变量值为6

导致两个线程及时用volatile关键字修改之后，还是会存在并发的情况。

如何避免这种情况?
解决以上问题的方法:
一种是 操作时, 加上同步.
这种方法, 无疑将大大降低程序性能, 且违背了volatile的初衷.

第二种方式是, 使用硬件原语(CAS), 实现非阻塞算法
从CPU原语上,  支持变量级别的低开销同步.

CPU原语-比较并交换(CompareAndSet),实现非阻塞算法

什么是CAS?
cas是现代CPU提供给并发程序使用的原语操作. 不同的CPU有不同的使用规范.

在 Intel 处理器中，比较并交换通过指令的 cmpxchg 系列实现。
PowerPC 处理器有一对名为“加载并保留”和“条件存储”的指令，它们实现相同的目地；
MIPS 与 PowerPC 处理器相似，除了第一个指令称为“加载链接”。

CAS 操作包含三个操作数 —— 内存位置（V）、预期原值（A）和新值(B)

什么是非阻塞算法?
一个线程的失败或挂起不应该影响其他线程的失败或挂起.这类算法称之为非阻塞(nonblocking)算法

对比阻塞算法:
如果有一类并发操作, 其中一个线程优先得到对象监视器的锁, 当其他线程到达同步边界时, 就会被阻塞.
直到前一个线程释放掉锁后, 才可以继续竞争对象锁.(当然,这里的竞争也可是公平的, 按先来后到的次序)

CAS 原理:

我认为位置 V 应该包含值 A；如果包含该值，则将 B 放到这个位置；否则，不要更改该位置，只告诉我这个位置现在的值即可。

CAS使用示例(jdk 1.5 并发包 AtomicInteger类分析:)

1 /**
2      * Atomically sets to the given value and returns the old value.
3      *
4      * @param newValue the new value
5      * @return the previous value
6       */
7      public final int getAndSet( int newValue) {
8          for (;;) {
9              int current = get();
10              if (compareAndSet(current, newValue))
11                  return current;
12         }
13     }
14
15      public final boolean compareAndSet( int expect, int update) {
16          return unsafe.compareAndSwapInt( this , valueOffset, expect, update);
17      }

这个方法是, AtomicInteger类的常用方法, 作用是, 将变量设置为指定值, 并返回设置前的值.
它利用了cpu原语compareAndSet来保障值的唯一性.

另, AtomicInteger类中, 其他的实用方法, 也是基于同样的实现方式.
比如 getAndIncrement, getAndDecrement, getAndAdd等等.

CAS语义上存在的 " ABA 问题"

什么是ABA问题?
假设, 第一次读取V地址的A值, 然后通过CAS来判断V地址的值是否仍旧为A, 如果是, 就将B的值写入V地址,覆盖A值.

但是, 语义上, 有一个漏洞, 当第一次读取V的A值, 此时, 内存V的值变为B值, 然后在未执行CAS前, 又变回了A值.
此时, CAS再执行时, 会判断其正确的, 并进行赋值.

这种判断值的方式来断定内存是否被修改过, 针对某些问题, 是不适用的.  

为了解决这种问题, jdk 1.5并发包提供了 AtomicStampedReference (有标记的原子引用)类, 通过控制变量值的版本来保证CAS正确性.

其实, 大部分通过值的变化来CAS, 已经够用了.

jdk1.5原子包介绍(基于volatile)

包的特色:
1, 普通原子数值类型AtomicInteger, AtomicLong提供一些原子操作的加减运算.

2, 使用了解决脏数据问题的经典模式-"比对后设定", 即 查看主存中数据是否与预期提供的值一致,如果一致,才更新.

3, 使用AtomicReference可以实现对所有对象的原子引用及赋值.包括Double与Float,
但不包括对其的计算.浮点的计算,只能依靠同步关键字或Lock接口来实现了.

4, 对数组元素里的对象,符合以上特点的, 也可采用原子操作.包里提供了一些数组原子操作类
AtomicIntegerArray, AtomicLongArray等等.

5, 大幅度提升系统吞吐量及性能.