字节跳动一面：i++是线程安全的吗？

2020-07-31 00:00:00 变量 线程 读取 同步 主存
作者：ZimZz
来源：https://urlify.cn/26bM3a

# 简介

volatile关键字保证了在多线程环境下,被修饰的变量在别修改后会马上同步到主存,这样该线程对这个变量的修改就是对所有其他线程可见的,其他线程能够马上读到这个修改后值.

# Thread的本地内存


  • 每个Thread都拥有自己的线程存储空间

  • Thread何时同步本地存储空间的数据到主存是不确定的


# 例子


借用Google JEREMY MANSON 的解释,上图表示两个线程并发执行,而且代码顺序上为Thread1->Thread2

  1. 不用 volatile

假如ready字段不使用volatile,那么Thread 1对ready做出的修改对于Thread2来说未必是可见的,是否可见是不确定的.假如此时thread1 ready泄露了(leak through)了,那么Thread 2可以看见ready为true,但是有可能answer的改变并没有泄露,则thread2有可能会输出 0 (answer=42对thread2并不可见)

  1. 使用 volatile

使用volatile以后,做了如下事情

  • 每次修改volatile变量都会同步到主存中


  • 每次读取volatile变量的值都强制从主存读取新的值(强制JVM不可优化volatile变量,如JVM优化后变量读取会使用cpu缓存而不从主存中读取)


  • 线程 A 中写入 volatile 变量之前可见的变量, 在线程 B 中读取该 volatile 变


  • 量以后, 线程 B 对其他在 A 中的可见变量也可见. 换句话说, 写 volatile 类似于退出同步块, 而读取 volatile 类似于进入同步块


所以如果使用了volatile,那么Thread2读取到的值为read=>true,answer=>42,当然使用volatile的同时也会增加性能开销

# 注意


volatile并不能保证非源自性操作的多线程安全问题得到解决,volatile解决的是多线程间共享变量的可见性问题,而例如多线程的i++,++i,依然还是会存在多线程问题,它是无法解决了.如下:使用一个线程i++,另一个i--,终得到的结果不为0
public class VolatileTest {
    private static volatile int count = ;    private static final int times = Integer.MAX_VALUE;
    public static void main(String[] args) {
        long curTime = System.nanoTime();
        Thread decThread = new DecThread();        decThread.start();
        // 使用run()来运行结果为0,原因是单线程执行不会有线程安全问题        // new DecThread().run();
        System.out.println(Start thread:  + Thread.currentThread() +  i++);
        for (int i = ; i < times; i++) {            count++;        }
        System.out.println(End thread:  + Thread.currentThread() +  i--);
        // 等待decThread结束        while (decThread.isAlive());
        long duration = System.nanoTime() - curTime;        System.out.println(Result:  + count);        System.out.format(Duration: %.2fs\n, duration / 1.0e9);    }
    private static class DecThread extends Thread {
        @Override        public void run() {            System.out.println(Start thread:  + Thread.currentThread() +  i--);            for (int i = ; i < times; i++) {                count--;            }            System.out.println(End thread:  + Thread.currentThread() +  i--);        }    }}

后输出的结果是
Start thread: Thread[main,5,main] i++ Start thread: Thread[Thread-0,5,main] i-- End thread: Thread[main,5,main] i-- End thread: Thread[Thread-0,5,main] i-- Result: -460370604 Duration: 67.37s

原因是i++和++i并非原子操作,我们若查看字节码,会发现
void f1() { i++; }

的字节码如下
void f1();Code:0: aload_01: dup2: getfield #2; //Field i:I5: iconst_16: iadd7: putfield #2; //Field i:I10: return

值+1 -> 将+1后的值写回i中,这样在多线程的时候执行情况就类似如下了" tab="innerlink" hasload="1" style="color: rgb(0, 0, 0); -webkit-tap-highlight-color: rgba(0, 0, 0, 0); cursor: pointer; max-width: ; font-size: 16px; font-family: Optima-Regular, PingFangTC-light; overflow-wrap: break-word !important;">可见i++执行了多部操作, 从变量i中读取读取i的值 -> 值+1 -> 将+1后的值写回i中,这样在多线程的时候执行情况就类似如下了
Thread1             Thread2r1 = i;             r3 = i;               r2 = r1 + 1;        r4 = r3 + 1;i = r2;             i = r4;

这样会造成的问题就是 r1, r3读到的值都是 0, 后两个线程都将 1 写入 i, 后 i 等于 1, 但是却进行了两次自增操作

可知加了volatile和没加volatile都无法解决非原子操作的线程同步问题

# 线程同步问题的解决


Java提供了java.util.concurrent.atomic 包来提供线程安全的基本类型包装类,例子如下
package com.qunar.atomicinteger;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
/** * @author zhenwei.liu created on 2013 13-9-2 下午10:18 * @version $Id$ */public class SafeTest {
    private static AtomicInteger count = new AtomicInteger();    private static final int times = Integer.MAX_VALUE;
    public static void main(String[] args) {
        long curTime = System.nanoTime();
        Thread decThread = new DecThread();        decThread.start();
        // 使用run()来运行结果为0,原因是单线程执行不会有线程安全问题        // new DecThread().run();
        System.out.println(Start thread:  + Thread.currentThread() +  i++);
        for (int i = ; i < times; i++) {            count.incrementAndGet();        }
        // 等待decThread结束        while (decThread.isAlive());
        long duration = System.nanoTime() - curTime;        System.out.println(Result:  + count);        System.out.format(Duration: %.2f\n, duration / 1.0e9);    }
    private static class DecThread extends Thread {
        @Override        public void run() {            System.out.println(Start thread:  + Thread.currentThread() +  i--);            for (int i = ; i < times; i++) {                count.decrementAndGet();            }            System.out.println(End thread:  + Thread.currentThread() +  i--);        }    }}

输出
Start thread: Thread[main,5,main] i++ Start thread: Thread[Thread-0,5,main] i-- End thread: Thread[Thread-0,5,main] i-- Result: 0 Duration: 105.15


# 结论


1.volatile解决了线程间共享变量的可见性问题

2.使用volatile会增加性能开销

3.volatile并不能解决线程同步问题

4.解决i++或者++i这样的线程同步问题需要使用synchronized或者AtomicXX系列的包装类,同时也会增加性能开销
<END>

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