为什么volatile不能保证原子性而Atomic可以?

在上篇《非阻塞同步算法与CAS(Compare and Swap)无锁算法》中讲到在Java中long赋值不是原子操作,因为先写32位,再写后32位,分两步操作,而AtomicLong赋值是原子操作,为什么?为什么volatile能替代简单的锁,却不能保证原子性?这里面涉及volatile,是java中的一个我觉得这个词在Java规范中从未被解释清楚的神奇关键词,在Sun的JDK官方文档是这样形容volatile的:

The Java programming language provides a second mechanism, volatile fields, that is more convenient than locking for some purposes. A field may be declared volatile, in which case the Java Memory Model ensures that all threads see a consistent value for the variable.

意思就是说,如果一个变量加了volatile关键字,就会告诉编译器和JVM的内存模型:这个变量是对所有线程共享的、可见的,每次jvm都会读取最新写入的值并使其最新值在所有CPU可见。volatile似乎是有时候可以代替简单的锁,似乎加了volatile关键字就省掉了锁。但又说volatile不能保证原子性(java程序员很熟悉这句话:volatile仅仅用来保证该变量对所有线程的可见性,但不保证原子性)。这不是互相矛盾吗?

不要将volatile用在getAndOperate场合,仅仅set或者get的场景是适合volatile的

不要将volatile用在getAndOperate场合(这种场合不原子,需要再加锁),仅仅set或者get的场景是适合volatile的

volatile没有原子性举例:AtomicInteger自增

例如你让一个volatile的integer自增(i++),其实要分成3步:1)读取volatile变量值到local; 2)增加变量的值;3)把local的值写回,让其它的线程可见。这3步的jvm指令为:

mov    0xc(%r10),%r8d ; Load
inc    %r8d           ; Increment
mov    %r8d,0xc(%r10) ; Store
lock addl $0x0,(%rsp) ; StoreLoad Barrier

注意最后一步是内存屏障。

什么是内存屏障(Memory Barrier)?

内存屏障(memory barrier)是一个CPU指令。基本上,它是这样一条指令: a) 确保一些特定操作执行的顺序; b) 影响一些数据的可见性(可能是某些指令执行后的结果)。编译器和CPU可以在保证输出结果一样的情况下对指令重排序,使性能得到优化。插入一个内存屏障,相当于告诉CPU和编译器先于这个命令的必须先执行,后于这个命令的必须后执行。内存屏障另一个作用是强制更新一次不同CPU的缓存。例如,一个写屏障会把这个屏障前写入的数据刷新到缓存,这样任何试图读取该数据的线程将得到最新值,而不用考虑到底是被哪个cpu核心或者哪颗CPU执行的。

内存屏障(memory barrier)和volatile什么关系?上面的虚拟机指令里面有提到,如果你的字段是volatile,Java内存模型将在写操作后插入一个写屏障指令,在读操作前插入一个读屏障指令。这意味着如果你对一个volatile字段进行写操作,你必须知道:1、一旦你完成写入,任何访问这个字段的线程将会得到最新的值。2、在你写入前,会保证所有之前发生的事已经发生,并且任何更新过的数据值也是可见的,因为内存屏障会把之前的写入值都刷新到缓存。

volatile为什么没有原子性?

明白了内存屏障(memory barrier)这个CPU指令,回到前面的JVM指令:从Load到store到内存屏障,一共4步,其中最后一步jvm让这个最新的变量的值在所有线程可见,也就是最后一步让所有的CPU内核都获得了最新的值,但中间的几步(从Load到Store)是不安全的,中间如果其他的CPU修改了值将会丢失。下面的测试代码可以实际测试voaltile的自增没有原子性:

    private static volatile long _longVal = 0;
    
	private static class LoopVolatile implements Runnable {
		public void run() {
			long val = 0;
			while (val < 10000000L) {
				_longVal++;
				val++;
			}
		}
	}
	
	private static class LoopVolatile2 implements Runnable {
		public void run() {
			long val = 0;
			while (val < 10000000L) {
				_longVal++;
				val++;
			}
		}
	}
	
	private  void testVolatile(){
	    Thread t1 = new Thread(new LoopVolatile());
		t1.start();
		
		Thread t2 = new Thread(new LoopVolatile2());
		t2.start();
		
        while (t1.isAlive() || t2.isAlive()) {
	    }

		System.out.println("final val is: " + _longVal);
	}

Output:-------------
	
final val is: 11223828
final val is: 17567127
final val is: 12912109

volatile没有原子性举例:singleton单例模式实现

这是一段线程不安全的singleton(单例模式)实现,尽管使用了volatile:

public class wrongsingleton {
	private static volatile wrongsingleton _instance = null; 

	private wrongsingleton() {}

	public static wrongsingleton getInstance() {

		if (_instance == null) {
			_instance = new wrongsingleton();
		}

		return _instance;
	}
}

下面的测试代码可以测试出是线程不安全的:

public class wrongsingleton {
	private static volatile wrongsingleton _instance = null; 

	private wrongsingleton() {}

	public static wrongsingleton getInstance() {

		if (_instance == null) {
			_instance = new wrongsingleton();
			System.out.println("--initialized once.");
		}

		return _instance;
	}
}

private static void testInit(){
		
		Thread t1 = new Thread(new LoopInit());
		Thread t2 = new Thread(new LoopInit2());
		Thread t3 = new Thread(new LoopInit());
		Thread t4 = new Thread(new LoopInit2());
		t1.start();
		t2.start();
		t3.start();
		t4.start();
		
        while (t1.isAlive() || t2.isAlive() || t3.isAlive()|| t4.isAlive()) {
			
        }

	}
输出:有时输出"--initialized once."一次,有时输出好几次

原因自然和上面的例子是一样的。因为volatile保证变量对线程的可见性,但不保证原子性

附:正确线程安全的单例模式写法:

@ThreadSafe 
public class SafeLazyInitialization { 
   private static Resource resource; 
   public synchronized static Resource getInstance() { 
      if (resource == null) 
          resource = new Resource(); 
      return resource; 
    } 
} 

另外一种写法:

@ThreadSafe 
public class EagerInitialization { 
  private static Resource resource = new Resource(); 
  public static Resource getResource() { return resource; } 
}

延迟初始化的写法:

@ThreadSafe 
public class ResourceFactory { 
	private static class ResourceHolder { 
		public static Resource resource = new Resource(); 
	} 
	public static Resource getResource() { 
		return ResourceHolder.resource ; 
	} 
}

二次检查锁定/Double Checked Locking的写法(反模式)

public class SingletonDemo {
	private static volatile SingletonDemo instance = null;//注意需要volatile
 
	private SingletonDemo() {	}
 
	public static SingletonDemo getInstance() {
		if (instance == null) { //二次检查,比直接用独占锁效率高
               synchronized (SingletonDemo .class){
			        if (instance == null) {
                               instance = new SingletonDemo (); 
                    }
             }
		}
		return instance;
	}
}

为什么AtomicXXX具有原子性和可见性?

就拿AtomicLong来说,它既解决了上述的volatile的原子性没有保证的问题,又具有可见性。它是如何做到的?当然就是上文《非阻塞同步算法与CAS(Compare and Swap)无锁算法》提到的CAS(比较并交换)指令。 其实AtomicLong的源码里也用到了volatile,但只是用来读取或写入,见源码:

public class AtomicLong extends Number implements java.io.Serializable {
    private volatile long value;

    /**
     * Creates a new AtomicLong with the given initial value.
     *
     * @param initialValue the initial value
     */
    public AtomicLong(long initialValue) {
        value = initialValue;
    }

    /**
     * Creates a new AtomicLong with initial value {@code 0}.
     */
    public AtomicLong() {
    }

其CAS源码核心代码为:

int compare_and_swap (int* reg, int oldval, int newval) 
{
  ATOMIC();
  int old_reg_val = *reg;
  if (old_reg_val == oldval) 
     *reg = newval;
  END_ATOMIC();
  return old_reg_val;
}

虚拟机指令为:

mov    0xc(%r11),%eax       ; Load
mov    %eax,%r8d            
inc    %r8d                 ; Increment
lock cmpxchg %r8d,0xc(%r11) ; Compare and exchange

因为CAS是基于乐观锁的,也就是说当写入的时候,如果寄存器旧值已经不等于现值,说明有其他CPU在修改,那就继续尝试。所以这就保证了操作的原子性。

ConcurrencyCAS

posted on 2014-02-19 18:25 Mainz 阅读(...) 评论(...) 编辑 收藏

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