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為什么Java volatile++不是原子性的詳解

更新時(shí)間：2021年02月01日 09:18:40 作者：dm_vincent

這篇文章主要給大家介紹了關(guān)于為什么Java volatile++不是原子性的相關(guān)資料，文中通過示例代碼介紹的非常詳細(xì)，對(duì)大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價(jià)值，需要的朋友們下面隨著小編來一起學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)吧

問題

在討論原子性操作時(shí)，我們經(jīng)常會(huì)聽到一個(gè)說法：任意單個(gè)volatile變量的讀寫具有原子性，但是volatile++這種操作除外。

所以問題就是：為什么volatile++不是原子性的？

答案

因?yàn)樗鼘?shí)際上是三個(gè)操作組成的一個(gè)符合操作。

首先獲取volatile變量的值
將該變量的值加1
將該volatile變量的值寫會(huì)到對(duì)應(yīng)的主存地址

一個(gè)很簡(jiǎn)單的例子：

如果兩個(gè)線程在volatile讀階段都拿到的是a=1，那么后續(xù)在線程對(duì)應(yīng)的CPU核心上進(jìn)行自增當(dāng)然都得到的是a=2，最后兩個(gè)寫操作不管怎么保證原子性，結(jié)果最終都是a=2。每個(gè)操作本身都沒啥問題，但是合在一起，從整體上看就是一個(gè)線程不安全的操作：發(fā)生了兩次自增操作，然而最終結(jié)果卻不是3。

分析

結(jié)合內(nèi)存屏障這個(gè)概念對(duì)volatile的讀寫操作深入理解的話：

第一步：讀

在第一步操作的指令后，會(huì)增加兩個(gè)內(nèi)存屏障：

在Volatile讀操作后插入LoadLoad屏障，防止前面的Volatile讀與后面的普通讀重排序
在Volatile讀操作后插入LoadStore屏障，防止前面的Volatile讀與后面的普通寫重排序

因此第一個(gè)指令和它后續(xù)的普通讀寫操作會(huì)被保證沒有重排序來?yè)v亂。通常是去內(nèi)存中去讀。

那么問題又來了，為什么通常去內(nèi)存中讀？

其實(shí)這個(gè)問題要說細(xì)的話可以很細(xì)，大概就兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)吧：

volatile的寫操作的緩存失效機(jī)制
最后一個(gè)對(duì)volatile變量執(zhí)行寫操作的CPU，由于在它對(duì)應(yīng)的緩存中保有最新的值，因此可以不用再去主存里面獲取

具體看下面第三步的分析。

第二步：自增

這個(gè)步驟沒什么特別的，就是在CPU自身的高速緩存(寄存器，L1-L3 Cache)中完成。不涉及到緩存和內(nèi)存的交互。

第三步：寫

volatile寫算是一個(gè)重點(diǎn)。

根據(jù)JMM對(duì)于volatile變量類型的語(yǔ)義規(guī)范：volatile在編譯之后，會(huì)在變量寫操作時(shí)添加LOCK前綴指令。這個(gè)LOCK前綴指令在多核處理器的環(huán)境中，有這樣的作用：

通知CPU將當(dāng)前處理器緩存行的數(shù)據(jù)寫回到系統(tǒng)主存中
該寫回操作將使其他CPU緩存了該內(nèi)存地址的數(shù)據(jù)無(wú)效

另外，內(nèi)存屏障在volatile的寫操作中起到了很大的作用，來保證上面兩點(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)：

在Volatile寫操作前插入StoreStore屏障，防止前面其他寫與本次Volatile寫重排序
在Volatile寫操作后插入StoreLoad屏障，防止本次的Volatile寫與后面的讀操作重排序

延伸

那么為了解決volatile++這類復(fù)合操作的原子性，有什么方案呢？其實(shí)方案也比較多的，這里提供兩種典型的：

使用synchronized關(guān)鍵字
使用AtomicInteger/AtomicLong原子類型

synchronized關(guān)鍵字

synchronized是比較原始的同步手段。它本質(zhì)上是一個(gè)獨(dú)占的，可重入的鎖。當(dāng)一個(gè)線程嘗試獲取它的時(shí)候，可能會(huì)被阻塞住，所以高并發(fā)的場(chǎng)景下性能存在一些問題。

在某些場(chǎng)景下，使用synchronized關(guān)鍵字和volatile是等價(jià)的：

寫入變量值時(shí)候不依賴變量的當(dāng)前值，或者能夠保證只有一個(gè)線程修改變量值。
寫入的變量值不依賴其他變量的參與。
讀取變量值時(shí)候不能因?yàn)槠渌蜻M(jìn)行加鎖。

加鎖可以同時(shí)保證可見性和原子性，而volatile只保證變量值的可見性。

AtomicInteger/AtomicLong

這類原子類型比鎖更加輕巧，比如AtomicInteger/AtomicLong分別就代表了整型變量和長(zhǎng)整型變量。

在它們的實(shí)現(xiàn)中，實(shí)際上分別使用的volatile int/volatile long保存了真正的值。因此，也是通過volatile來保證對(duì)于單個(gè)變量的讀寫原子性的。

在此基礎(chǔ)之上，它們提供了原子性的自增自減操作。比如incrementAndGet方法，這類方法相對(duì)于synchronized的好處是：它們不會(huì)導(dǎo)致線程的掛起和重新調(diào)度，因?yàn)樵谄鋬?nèi)部使用的是CAS非阻塞算法。

CAS是什么

所謂的CAS全程為CompareAndSet。直譯過來就是比較并設(shè)置。這個(gè)操作需要接受三個(gè)參數(shù)：

內(nèi)存位置
舊的預(yù)期值
新值

這個(gè)操作的做法就是看指定內(nèi)存位置的值符不符合舊的預(yù)期值，如果符合的話就將它替換成新值。它對(duì)應(yīng)的是處理器提供的一個(gè)原子性指令 - CMPXCHG。

比如AtomicLong的自增操作：

public final long incrementAndGet() {
 for (;;) {
  long current = get(); // Step 1
  long next = current + 1; // Step 2
  if (compareAndSet(current, next)) // Step 3
   return next;
 }
}

public final boolean compareAndSet(long expect, long update) {
 return unsafe.compareAndSwapLong(this, valueOffset, expect, update);
}

我們考慮兩個(gè)線程T1和T2，同時(shí)執(zhí)行到了上述Step 1處，都拿到了current值為1。然后通過Step 2之后，current在兩個(gè)線程中都被設(shè)置為2。

緊接著，來到Step 3。假設(shè)線程T1先執(zhí)行，此時(shí)符合CompareAndSet的設(shè)置規(guī)則，因此內(nèi)存位置對(duì)應(yīng)的值被設(shè)置成2，線程T1設(shè)置成功。當(dāng)線程T2執(zhí)行的時(shí)候，由于它預(yù)期current為1，但是實(shí)際上已經(jīng)變成了2，所以CompareAndSet執(zhí)行不成功，進(jìn)入到下一輪的for循環(huán)中，此時(shí)拿到最新的current值為2，如果沒有其它線程感染的話，再次執(zhí)行CompareAndSet的時(shí)候就能夠通過，current值被更新為3。

所以不難發(fā)現(xiàn)，CAS的工作主要依賴于兩點(diǎn)：