Java并发编程: Volatile不能保证数据同步

在本篇博文中,将给出一个实例去验证volatile修饰的变量并不能保证其数据同步. 

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.