Java并發編程中Volatile不能保證數據同步

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通過一個實例去驗證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?。薷模瓕懭氩僮餍蛄薪M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.

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