Volatile不保证原子性(二)

Volatile不保证原子性

前言

通过前面对JMM的介绍,我们知道,各个线程对主内存中共享变量的操作都是各个线程各自拷贝到自己的工作内存进行操作后在写回到主内存中的。

这就可能存在一个线程AAA修改了共享变量X的值,但是还未写入主内存时,另外一个线程BBB又对主内存中同一共享变量X进行操作,但此时A线程工作内存中共享变量X对线程B来说是不可见,这种工作内存与主内存同步延迟现象就造成了可见性问题。

原子性

不可分割,完整性,也就是说某个线程正在做某个具体业务时,中间不可以被加塞或者被分割,需要具体完成,要么同时成功,要么同时失败。

数据库也经常提到事务具备原子性

代码测试

为了测试volatile是否保证原子性,我们创建了20个线程,然后每个线程分别循环1000次,来调用number++的方法

MyData myData = new MyData();

    // 创建10个线程,线程里面进行1000次循环
    for (int i = 0; i < 20; i++) {
        new Thread(() -> {
            // 里面
            for (int j = 0; j < 1000; j++) {
            myData.addPlusPlus();
        }
     }, String.valueOf(i)).start();
}

最后通过 Thread.activeCount(),来感知20个线程是否执行完毕,这里判断线程数是否大于2,为什么是2?因为默认是有两个线程的,一个main线程,一个gc线程

// 需要等待上面20个线程都计算完成后,在用main线程取得最终的结果值
while(Thread.activeCount() > 2) {
    // yield表示不执行
    Thread.yield();
}

然后在线程执行完毕后,我们在查看number的值,假设volatile保证原子性的话,那么最后输出的值应该是

20 * 1000 = 20000,

完整代码如下所示:

/**
 * Volatile Java虚拟机提供的轻量级同步机制
 *
 * 可见性(及时通知)
 * 不保证原子性
 * 禁止指令重排
 *
 */
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * 假设是主物理内存
 */
class MyData {
    /**
     * volatile 修饰的关键字,是为了增加 主线程和线程之间的可见性,只要有一个线程修改了内存中的值,其它线程也能马上感知
     */
    volatile int number = 0;

    public void addTo60() {
        this.number = 60;
    }

    /**
     * 注意,此时number 前面是加了volatile修饰
     */
    public void addPlusPlus() {
        number ++;
    }
}

/**
 * 验证volatile的可见性
 * 1、 假设int number = 0, number变量之前没有添加volatile关键字修饰
 * 2、添加了volatile,可以解决可见性问题
 *
 * 验证volatile不保证原子性
 * 1、原子性指的是什么意思?
 */
public class VolatileDemo {

    public static void main(String args []) {

        MyData myData = new MyData();

        // 创建10个线程,线程里面进行1000次循环
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            new Thread(() -> {
                // 里面
                for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                    myData.addPlusPlus();
                }
            }, String.valueOf(i)).start();
        }

        // 需要等待上面20个线程都计算完成后,在用main线程取得最终的结果值
        // 这里判断线程数是否大于2,为什么是2?因为默认是有两个线程的,一个main线程,一个gc线程
        while(Thread.activeCount() > 2) {
            // yield表示不执行
            Thread.yield();
        }

        // 查看最终的值
        // 假设volatile保证原子性,那么输出的值应该为:  20 * 1000 = 20000
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "/t finally number value: " + myData.number);

    }
}

最终结果我们会发现,number输出的值并没有20000,而且是每次运行的结果都不一致的,这说明了volatile修饰的变量不保证原子性

第一次:

Volatile不保证原子性(二)

第二次:

Volatile不保证原子性(二)

第三次:

Volatile不保证原子性(二)

为什么出现数值丢失

Volatile不保证原子性(二)

各自线程在写入主内存的时候,出现了数据的丢失,而引起的数值缺失的问题

下面我们将一个简单的number++操作,转换为字节码文件一探究竟

public class T1 {
    volatile int n = 0;
    public void add() {
        n++;
    }
}

转换后的字节码文件

public class com.moxi.interview.study.thread.T1 {
  volatile int n;

  public com.moxi.interview.study.thread.T1();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
       4: aload_0
       5: iconst_0
       6: putfield      #2                  // Field n:I
       9: return

  public void add();
    Code:
       0: aload_0
       1: dup
       2: getfield      #2                  // Field n:I
       5: iconst_1
       6: iadd
       7: putfield      #2                  // Field n:I
      10: return
}

这里查看字节码的操作,是用到了IDEA的javap命令

我们首先,使用IDEA提供的External Tools,来扩展javap命令

Volatile不保证原子性(二)

完成上述操作后,我们在需要查看字节码的文件下,右键选择 External Tools即可

Volatile不保证原子性(二)

如果出现了找不到指定类,那是因为我们创建的是spring boot的maven项目,我们之前需要执行mvn package命令,进行打包操作,将其编译成class文件

移动到底部,有一份字节码指令对照表,方便我们进行阅读

下面我们就针对 add() 这个方法的字节码文件进行分析

public void add();
    Code:
       0: aload_0
       1: dup
       2: getfield      #2    // Field n:I
       5: iconst_1
       6: iadd
       7: putfield      #2    // Field n:I
      10: return

我们能够发现 n++这条命令,被拆分成了3个指令

getfield
iadd
putfileld

假设我们没有加 synchronized 那么第一步就可能存在着,三个线程同时通过getfield命令,拿到主存中的 n值,然后三个线程,各自在自己的工作内存中进行加1操作,但他们并发进行 iadd 命令的时候,因为只能一个进行写,所以其它操作会被挂起,假设1线程,先进行了写操作,在写完后,volatile的可见性,应该需要告诉其它两个线程,主内存的值已经被修改了,但是因为太快了,其它两个线程,陆续执行 iadd 命令,进行写入操作,这就造成了其他线程没有接受到主内存n的改变,从而覆盖了原来的值,出现写丢失,这样也就让最终的结果少于20000

如何解决

因此这也说明,在多线程环境下 number ++ 在多线程环境下是非线程安全的,解决的方法有哪些呢?

  • 在方法上加入 synchronized
public synchronized void addPlusPlus() {
        number ++;
    }

运行结果:

Volatile不保证原子性(二)

我们能够发现引入synchronized关键字后,保证了该方法每次只能够一个线程进行访问和操作,最终输出的结果也就为20000

其它解决方法

上面的方法引入synchronized,虽然能够保证原子性,但是为了解决number++,而引入重量级的同步机制,有种 杀鸡焉用牛刀

除了引用synchronized关键字外,还可以使用JUC下面的原子包装类,即刚刚的int类型的number,可以使用AtomicInteger来代替

/**
     *  创建一个原子Integer包装类,默认为0
      */
    AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();

    public void addAtomic() {
        // 相当于 atomicInter ++
        atomicInteger.getAndIncrement();
    }

然后同理,继续刚刚的操作

// 创建10个线程,线程里面进行1000次循环
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            new Thread(() -> {
                // 里面
                for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                    myData.addPlusPlus();
                    myData.addAtomic();
                }
            }, String.valueOf(i)).start();
        }

最后输出

// 假设volatile保证原子性,那么输出的值应该为:  20 * 1000 = 20000
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "/t finally number value: " + myData.number);
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "/t finally atomicNumber value: " + myData.atomicInteger);

下面的结果,一个是引入synchronized,一个是使用了原子包装类AtomicInteger

Volatile不保证原子性(二)

字节码指令表

字节码 助记符 指令含义
0x00 nop None
0x01 aconst_null 将null推送至栈顶
0x02 iconst_m1 将int型-1推送至栈顶
0x03 iconst_0 将int型0推送至栈顶
0x04 iconst_1 将int型1推送至栈顶
0x05 iconst_2 将int型2推送至栈顶
0x06 iconst_3 将int型3推送至栈顶
0x07 iconst_4 将int型4推送至栈顶
0x08 iconst_5 将int型5推送至栈顶
0x09 lconst_0 将long型0推送至栈顶
0x0a lconst_1 将long型1推送至栈顶
0x0b fconst_0 将float型0推送至栈顶
0x0c fconst_1 将float型1推送至栈顶
0x0d fconst_2 将float型2推送至栈顶
0x0e dconst_0 将double型0推送至栈顶
0x0f dconst_1 将double型1推送至栈顶
0x10 bipush 将单字节的常量值(-128~127)推送至栈顶
0x11 sipush 将一个短整型常量(-32768~32767)推送至栈顶
0x12 ldc 将int,float或String型常量值从常量池中推送至栈顶
0x13 ldc_w 将int,float或String型常量值从常量池中推送至栈顶(宽索引)
0x14 ldc2_w 将long或double型常量值从常量池中推送至栈顶(宽索引)
0x15 iload 将指定的int型本地变量推送至栈顶
0x16 lload 将指定的long型本地变量推送至栈顶
0x17 fload 将指定的float型本地变量推送至栈顶
0x18 dload 将指定的double型本地变量推送至栈顶
0x19 aload 将指定的引用类型本地变量推送至栈顶
0x1a iload_0 将第一个int型本地变量推送至栈顶
0x1b iload_1 将第二个int型本地变量推送至栈顶
0x1c iload_2 将第三个int型本地变量推送至栈顶
0x1d iload_3 将第四个int型本地变量推送至栈顶
0x1e lload_0 将第一个long型本地变量推送至栈顶
0x1f lload_1 将第二个long型本地变量推送至栈顶
0x20 lload_2 将第三个long型本地变量推送至栈顶
0x21 lload_3 将第四个long型本地变量推送至栈顶
0x22 fload_0 将第一个float型本地变量推送至栈顶
0x23 fload_1 将第二个float型本地变量推送至栈顶
0x24 fload_2 将第三个float型本地变量推送至栈顶
0x25 fload_3 将第四个float型本地变量推送至栈顶
0x26 dload_0 将第一个double型本地变量推送至栈顶
0x27 dload_1 将第二个double型本地变量推送至栈顶
0x28 dload_2 将第三个double型本地变量推送至栈顶
0x29 dload_3 将第四个double型本地变量推送至栈顶
0x2a aload_0 将第一个引用类型本地变量推送至栈顶
0x2b aload_1 将第二个引用类型本地变量推送至栈顶
0x2c aload_2 将第三个引用类型本地变量推送至栈顶
0x2d aload_3 将第四个引用类型本地变量推送至栈顶
0x2e iaload 将int型数组指定索引的值推送至栈顶
0x2f laload 将long型数组指定索引的值推送至栈顶
0x30 faload 将float型数组指定索引的值推送至栈顶
0x31 daload 将double型数组指定索引的值推送至栈顶
0x32 aaload 将引用类型数组指定索引的值推送至栈顶
0x33 baload 将boolean或byte型数组指定索引的值推送至栈顶
0x34 caload 将char型数组指定索引的值推送至栈顶
0x35 saload 将short型数组指定索引的值推送至栈顶
0x36 istore 将栈顶int型数值存入指定本地变量
0x37 lstore 将栈顶long型数值存入指定本地变量
0x38 fstore 将栈顶float型数值存入指定本地变量
0x39 dstore 将栈顶double型数值存入指定本地变量
0x3a astore 将栈顶引用类型数值存入指定本地变量
0x3b istore_0 将栈顶int型数值存入第一个本地变量
0x3c istore_1 将栈顶int型数值存入第二个本地变量
0x3d istore_2 将栈顶int型数值存入第三个本地变量
0x3e istore_3 将栈顶int型数值存入第四个本地变量
0x3f lstore_0 将栈顶long型数值存入第一个本地变量
0x40 lstore_1 将栈顶long型数值存入第二个本地变量
0x41 lstore_2 将栈顶long型数值存入第三个本地变量
0x42 lstore_3 将栈顶long型数值存入第四个本地变量
0x43 fstore_0 将栈顶float型数值存入第一个本地变量
0x44 fstore_1 将栈顶float型数值存入第二个本地变量
0x45 fstore_2 将栈顶float型数值存入第三个本地变量
0x46 fstore_3 将栈顶float型数值存入第四个本地变量
0x47 dstore_0 将栈顶double型数值存入第一个本地变量
0x48 dstore_1 将栈顶double型数值存入第二个本地变量
0x49 dstore_2 将栈顶double型数值存入第三个本地变量
0x4a dstore_3 将栈顶double型数值存入第四个本地变量
0x4b astore_0 将栈顶引用型数值存入第一个本地变量
0x4c astore_1 将栈顶引用型数值存入第二个本地变量
0x4d astore_2 将栈顶引用型数值存入第三个本地变量
0x4e astore_3 将栈顶引用型数值存入第四个本地变量
0x4f iastore 将栈顶int型数值存入指定数组的指定索引位置
0x50 lastore 将栈顶long型数值存入指定数组的指定索引位置
0x51 fastore 将栈顶float型数值存入指定数组的指定索引位置
0x52 dastore 将栈顶double型数值存入指定数组的指定索引位置
0x53 aastore 将栈顶引用型数值存入指定数组的指定索引位置
0x54 bastore 将栈顶boolean或byte型数值存入指定数组的指定索引位置
0x55 castore 将栈顶char型数值存入指定数组的指定索引位置
0x56 sastore 将栈顶short型数值存入指定数组的指定索引位置
0x57 pop 将栈顶数值弹出(数值不能是long或double类型的)
0x58 pop2 将栈顶的一个(对于非long或double类型)或两个数值(对于非long或double的其他类型)弹出
0x59 dup 复制栈顶数值并将复制值压入栈顶
0x5a dup_x1 复制栈顶数值并将两个复制值压入栈顶
0x5b dup_x2 复制栈顶数值并将三个(或两个)复制值压入栈顶
0x5c dup2 复制栈顶一个(对于long或double类型)或两个(对于非long或double的其他类型)数值并将复制值压入栈顶
0x5d dup2_x1 dup_x1指令的双倍版本
0x5e dup2_x2 dup_x2指令的双倍版本
0x5f swap 将栈顶最顶端的两个数值互换(数值不能是long或double类型)
0x60 iadd 将栈顶两int型数值相加并将结果压入栈顶
0x61 ladd 将栈顶两long型数值相加并将结果压入栈顶
0x62 fadd 将栈顶两float型数值相加并将结果压入栈顶
0x63 dadd 将栈顶两double型数值相加并将结果压入栈顶
0x64 isub 将栈顶两int型数值相减并将结果压入栈顶
0x65 lsub 将栈顶两long型数值相减并将结果压入栈顶
0x66 fsub 将栈顶两float型数值相减并将结果压入栈顶
0x67 dsub 将栈顶两double型数值相减并将结果压入栈顶
0x68 imul 将栈顶两int型数值相乘并将结果压入栈顶
0x69 lmul 将栈顶两long型数值相乘并将结果压入栈顶
0x6a fmul 将栈顶两float型数值相乘并将结果压入栈顶
0x6b dmul 将栈顶两double型数值相乘并将结果压入栈顶
0x6c idiv 将栈顶两int型数值相除并将结果压入栈顶
0x6d ldiv 将栈顶两long型数值相除并将结果压入栈顶
0x6e fdiv 将栈顶两float型数值相除并将结果压入栈顶
0x6f ddiv 将栈顶两double型数值相除并将结果压入栈顶
0x70 irem 将栈顶两int型数值作取模运算并将结果压入栈顶
0x71 lrem 将栈顶两long型数值作取模运算并将结果压入栈顶
0x72 frem 将栈顶两float型数值作取模运算并将结果压入栈顶
0x73 drem 将栈顶两double型数值作取模运算并将结果压入栈顶
0x74 ineg 将栈顶int型数值取负并将结果压入栈顶
0x75 lneg 将栈顶long型数值取负并将结果压入栈顶
0x76 fneg 将栈顶float型数值取负并将结果压入栈顶
0x77 dneg 将栈顶double型数值取负并将结果压入栈顶
0x78 ishl 将int型数值左移指定位数并将结果压入栈顶
0x79 lshl 将long型数值左移指定位数并将结果压入栈顶
0x7a ishr 将int型数值右(带符号)移指定位数并将结果压入栈顶
0x7b lshr 将long型数值右(带符号)移指定位数并将结果压入栈顶
0x7c iushr 将int型数值右(无符号)移指定位数并将结果压入栈顶
0x7d lushr 将long型数值右(无符号)移指定位数并将结果压入栈顶
0x7e iand 将栈顶两int型数值"按位与"并将结果压入栈顶
0x7f land 将栈顶两long型数值"按位与"并将结果压入栈顶
0x80 ior 将栈顶两int型数值"按位或"并将结果压入栈顶
0x81 lor 将栈顶两long型数值"按位或"并将结果压入栈顶
0x82 ixor 将栈顶两int型数值"按位异或"并将结果压入栈顶
0x83 lxor 将栈顶两long型数值"按位异或"并将结果压入栈顶
0x84 iinc 将指定int型变量增加指定值(如i++, i–, i+=2等)
0x85 i2l 将栈顶int型数值强制转换为long型数值并将结果压入栈顶
0x86 i2f 将栈顶int型数值强制转换为float型数值并将结果压入栈顶
0x87 i2d 将栈顶int型数值强制转换为double型数值并将结果压入栈顶
0x88 l2i 将栈顶long型数值强制转换为int型数值并将结果压入栈顶
0x89 l2f 将栈顶long型数值强制转换为float型数值并将结果压入栈顶
0x8a l2d 将栈顶long型数值强制转换为double型数值并将结果压入栈顶
0x8b f2i 将栈顶float型数值强制转换为int型数值并将结果压入栈顶
0x8c f2l 将栈顶float型数值强制转换为long型数值并将结果压入栈顶
0x8d f2d 将栈顶float型数值强制转换为double型数值并将结果压入栈顶
0x8e d2i 将栈顶double型数值强制转换为int型数值并将结果压入栈顶
0x8f d2l 将栈顶double型数值强制转换为long型数值并将结果压入栈顶
0x90 d2f 将栈顶double型数值强制转换为float型数值并将结果压入栈顶
0x91 i2b 将栈顶int型数值强制转换为byte型数值并将结果压入栈顶
0x92 i2c 将栈顶int型数值强制转换为char型数值并将结果压入栈顶
0x93 i2s 将栈顶int型数值强制转换为short型数值并将结果压入栈顶
0x94 lcmp 比较栈顶两long型数值大小, 并将结果(1, 0或-1)压入栈顶
0x95 fcmpl 比较栈顶两float型数值大小, 并将结果(1, 0或-1)压入栈顶; 当其中一个数值为 NaN 时, 将-1压入栈顶
0x96 fcmpg 比较栈顶两float型数值大小, 并将结果(1, 0或-1)压入栈顶; 当其中一个数值为 NaN 时, 将1压入栈顶
0x97 dcmpl 比较栈顶两double型数值大小, 并将结果(1, 0或-1)压入栈顶; 当其中一个数值为 NaN 时, 将-1压入栈顶
0x98 dcmpg 比较栈顶两double型数值大小, 并将结果(1, 0或-1)压入栈顶; 当其中一个数值为 NaN 时, 将1压入栈顶
0x99 ifeq 当栈顶int型数值等于0时跳转
0x9a ifne 当栈顶int型数值不等于0时跳转
0x9b iflt 当栈顶int型数值小于0时跳转
0x9c ifge 当栈顶int型数值大于等于0时跳转
0x9d ifgt 当栈顶int型数值大于0时跳转
0x9e ifle 当栈顶int型数值小于等于0时跳转
0x9f if_icmpeq 比较栈顶两int型数值大小, 当结果等于0时跳转
0xa0 if_icmpne 比较栈顶两int型数值大小, 当结果不等于0时跳转
0xa1 if_icmplt 比较栈顶两int型数值大小, 当结果小于0时跳转
0xa2 if_icmpge 比较栈顶两int型数值大小, 当结果大于等于0时跳转
0xa3 if_icmpgt 比较栈顶两int型数值大小, 当结果大于0时跳转
0xa4 if_icmple 比较栈顶两int型数值大小, 当结果小于等于0时跳转
0xa5 if_acmpeq 比较栈顶两引用型数值, 当结果相等时跳转
0xa6 if_acmpne 比较栈顶两引用型数值, 当结果不相等时跳转
0xa7 goto 无条件跳转
0xa8 jsr 跳转至指定的16位offset位置, 并将jsr的下一条指令地址压入栈顶
0xa9 ret 返回至本地变量指定的index的指令位置(一般与jsr或jsr_w联合使用)
0xaa tableswitch 用于switch条件跳转, case值连续(可变长度指令)
0xab lookupswitch 用于switch条件跳转, case值不连续(可变长度指令)
0xac ireturn 从当前方法返回int
0xad lreturn 从当前方法返回long
0xae freturn 从当前方法返回float
0xaf dreturn 从当前方法返回double
0xb0 areturn 从当前方法返回对象引用
0xb1 return 从当前方法返回void
0xb2 getstatic 获取指定类的静态域, 并将其压入栈顶
0xb3 putstatic 为指定类的静态域赋值
0xb4 getfield 获取指定类的实例域, 并将其压入栈顶
0xb5 putfield 为指定类的实例域赋值
0xb6 invokevirtual 调用实例方法
0xb7 invokespecial 调用超类构建方法, 实例初始化方法, 私有方法
0xb8 invokestatic 调用静态方法
0xb9 invokeinterface 调用接口方法
0xba invokedynamic 调用动态方法
0xbb new 创建一个对象, 并将其引用引用值压入栈顶
0xbc newarray 创建一个指定的原始类型(如int, float, char等)的数组, 并将其引用值压入栈顶
0xbd anewarray 创建一个引用型(如类, 接口, 数组)的数组, 并将其引用值压入栈顶
0xbe arraylength 获取数组的长度值并压入栈顶
0xbf athrow 将栈顶的异常抛出
0xc0 checkcast 检验类型转换, 检验未通过将抛出 ClassCastException
0xc1 instanceof 检验对象是否是指定类的实际, 如果是将1压入栈顶, 否则将0压入栈顶
0xc2 monitorenter 获得对象的, 用于同步方法或同步块
0xc3 monitorexit 释放对象的锁, 用于同步方法或同步块
0xc4 wide 扩展本地变量的宽度
0xc5 multianewarray 创建指定类型和指定维度的多维数组(执行该指令时, 操作栈中必须包含各维度的长度值), 并将其引用压入栈顶
0xc6 ifnull 为null时跳转
0xc7 ifnonnull 不为null时跳转
0xc8 goto_w 无条件跳转(宽索引)
0xc9 jsr_w 跳转至指定的32位offset位置, 并将jsr_w的下一条指令地址压入栈顶

原文 

http://www.cnblogs.com/bbgs-xc/p/12731577.html

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