并发编程陷阱系列(四)volatile与变量脏读

预备知识：

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。下面一幅图描述这写交互：

在当前的Java内存模型下，线程可以把变量保存在本地内存（比如机器的寄存器）中，而不是直接在主存中进行读写。这就可能造成一个线程在主存中修改了一个变量的值，而另外一个线程还继续使用它在寄存器中的变量值的拷贝，造成数据的不一致。

 

把变量声明为volatile（不稳定的），相当于指示JVM，这个变量是不稳定的，每次使用它都到主存中进行读取。一般说来，多任务环境下各任务间共享的标志都应该加volatile修饰。

volatile不能和final连用：It is a compile-time error if a final variable is also declared volatile.

 

为什么要使用Volatile
Volatile变量修饰符如果使用恰当的话，它比synchronized的使用和执行成本会更低，因为它不会引起线程上下文的切换和调度。

 

举例：

 

public class VolatileTest {
    public static volatile int race = 0;

    public static void increase() {
        race++;
    }

    public static int THREADS_COUNT = 20;

    public static void main(String[] args) {
        Thread[] threads = new Thread[THREADS_COUNT];
        for (int i = 0; i < THREADS_COUNT; i++) {
            threads[i] = new Thread(new Runnable() {
                public void run() {
                    for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                        increase();
                    }
                }
            });
            threads[i].start();            

        }
        while (Thread.activeCount() > 1) {            
            Thread.yield();
            System.out.println(race);
        }

    }
}

 

 

我们的预期是输出200000，但大多数情况下输出的值都比200000小。

 

观察increase的byte code：

 

public static void increase();
  Code:
   0:   getstatic       #11; //Field race:I
   3:   iconst_1
   4:   iadd
   5:   putstatic       #11; //Field race:I
   8:   return

 

 当getstatic指令把race的值取到操作栈顶时，volatile 关键字保证了race的值在此时是正确的，但是在执行iconst_1,iadd这些指令的时候，其他线程可能已经把race的值加大了。而在操作栈顶的值变成了过期的数据，所以putstatic指令执行后就可能把较小的race值同步到内存中了。

 

应用volatile变量的四个原则：
      (1)写入变量不依赖此变量的值，或者只有一个线程修改此变量
      (2)变量的状态不需要与其它变量共同参与不变约束
      (3)访问变量不需要加锁
      (4)由于使用volatile屏蔽掉了VM中必要的代码优化，所以在效率上比较低，因此一定在必要时才使用此关键字。

参考：

http://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-jtp06197.html

http://www.cnblogs.com/aigongsi/archive/2012/04/01/2429166.html